manufactura ingenieria y tecnologia kalpakjian

Tecnologías de Fabricación1

Miguel Moro Vallina2

1Apuntes preparados a partir de Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid: Ma-

nufactura, ingeniería y tecnología. México, 2002: Pearson Educación. Los apuntes co-

rresponden a la asignatura homónima del Plan de Estudios de 2001 de Ingeniería

Industrial de la uned.2Correo: [email protected]. Web: http://narodnaia.googlepages.com

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Tema 1

Introducción a la

fabricación

1.1. Qué es la manufactura

La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir lamateria prima en productos. Incluye el diseño del producto, la selección de lamateria prima y la secuencia de procesos a través de los cuales será manufactura-do el producto. Como actividad económica, la manufactura comprende entre elveinte y el treinta por ciento del valor de todos los bienes y servicios producidos.

La manufactura puede producir productos discretos, i.e. piezas individuales,o productos continuos.

1.2. El proceso de diseño y la ingeniería concu-rrente

Tradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han ocurrido demanera secuencial, más que de manera concurrente o simultánea. Aunque estasecuencia parece lógica y sencilla, es un procedimiento que desperdicia de formaextrema los recursos. Por ello, se está abriendo paso la ingeniería concurrenteo simultánea.

Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocidade la comunicación dentro de y entre las disciplinas. Esto es, del mismo modo quedebe existir comunicación entre las diferentes funciones de ingeniería, marketingy servicio, debe también existir interacción entre subdisciplinas de ingeniería,por ejemplo diseño para la manufactura, reciclabilidad de diseño y diseño parala seguridad.

La ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integra eldiseño y la manufactura de los productos, manteniendo a la vista la optimiza-

4 1.2. El proceso de diseño y la ingeniería concurrente

ción de todos los elementos que forman parte del ciclo de vida del producto.El ciclo de vida implica que todos los aspectos de un producto —diseño, desa-rrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado— se consideran demanera simultánea. Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducirlos cambios en el diseño e ingeniería de producto y reducir el lapso que mediaentre el diseño del producto y su introducción en el mercado, así como los costosasociados a ese tiempo.

Tanto para empresas grandes como pequeñas, el diseño del producto con-lleva, a menudo, la preparación de modelos analíticos y físicos del mismo, comoayuda para estudiar factores tales como las fuerzas, los esfuerzos, las deflexio-nes y la forma óptima de la pieza. La necesidad de estos modelos depende dela complejidad del producto. Hoy en día, el estudio de modelos analíticos seha simplificado mediante el uso del diseño asistido por computadora (cad) y deingeniería y manufactura asistida por computadora (cae y cam, respectivamen-te). El cad permite conceptualizar objetos con mayor facilidad, sin tener queelaborar ilustraciones, modelos o prototipos costosos. Usando la cae se puedesimular, analizar y probar con mayor precisión y más rápido el desempeño deestructuras sujetas a cargas estáticas o fluctuantes y a temperaturas variables.Por último, la cam involucra todas las fases de la manufactura, al utilizar yprocesar aún más la gran cantidad de información sobre materiales y procesosrecolectados y almacenados en la base de datos de la organización.

Posteriormente a la utilización de estas técnicas asistidas por computadora,suele ser necesario fabricar un prototipo, i.e., un modelo original del productoque funcione. Un desarrollo reciente importante es el llamado prototipado rápido,que se apoya en técnicas asistidas por computadora y en diversas técnicas demanufactura —con el uso de materiales tanto metálicos como no metálicos—para producir prototipos de manera rápida, en forma de un modelo sólido y debajo costo de una determinada pieza física.

Las pruebas de prototipos deben ser diseñadas para simular, de forma tanreal como sea posible, las condiciones bajo las cuales se va a usar el produc-to. Estas condiciones incluyen los factores ambientales —como temperatura yhumedad— y los efectos de la vibración y el uso (y el mal uso) repetido delproducto. Las técnicas de ingeniería asistida por computadora son capaces dellevar a cabo estas simulaciones de manera rápida y completa.

Durante la prueba del prototipo, quizá resulte necesario efectuar modifi-caciones en el diseño, materiales o métodos de producción originales. Una vezterminada esta fase, se seleccionan los procesos apropiados, métodos de manu-factura y equipo, así como las herramientas, etc.

Parece ser que, en el pasado, muchos productos han sido sobrediseñados, i.e.,que eran demasiado voluminosos, estaban fabricados con materiales de calidaddemasiado elevada, o con una precisión y calidad no necesaria para los usospretendidos. Muchos fabricantes creen que si un producto funciona bien duranteun largo período de tiempo, podría haber sido sobrediseñado. En estos casos, laempresa podría reducir los materiales y/o los procesos empleados.

1. Introducción a la fabricación 5

1.3. Diseño para la manufactura, ensamblaje, de-sensamblaje y servicio

Como ya se ha mencionado, el diseño y la manufactura deben estar estrecha-mente interrelacionados, y no deben nunca verse como disciplinas o actividadespor separado. Esta visión ampliada ha sido reconocida como el área de diseñopara la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la pro-ducción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiales, métodosde manufactura, planificación de procesos, ensamblaje, prueba y garantía decalidad.

El diseño, ingeniería y manufactura asistidos por computadora, y las técni-cas de planificación de procesos, empleando grandes programas de computadora,se han hecho indispensables para aquellos que llevan a cabo dichos análisis. Losnuevos desarrollos incluyen sistemas expertos, que tienen capacidades de opti-mización y por lo tanto pueden acelerar el proceso iterativo tradicional de laoptimización del diseño.

Una vez que se han manufacturado las partes individuales, deben ensam-blarse en un producto. El ensamblaje es una parte importante de la operacióngeneral de manufactura y es preciso considerar la facilidad y la velocidad conlas que puede efectuarse, así como el costo de las piezas. Asimismo, muchosproductos deben diseñarse de manera que sea posible su desensamblaje, a fin depermitir que se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o para elreciclaje de sus componentes.

Dado que las operaciones de ensamblaje pueden contribuir notablementeal costo del producto, el diseño para el ensamblaje (dfa), así como el diseñopara el desensamblaje, se reconocen ahora como aspectos importantes de la ma-nufactura. Comúnmente, un producto que es fácil de ensamblar también seráfácil de desensamblar. La tendencia más reciente incluye ahora el diseño parael servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un pro-ducto sean fáciles de alcanzar, para poderles dar servicio. La tendencia actuales combinar el diseño para la manufactura y el diseño para en ensamblaje en undiseño más completo para la manufactura y el ensamblaje (dfma), que reconocela relación inherente entre la manufactura de los componentes y su ensamblajeen un producto final.

1.4. Selección de materiales

Los tipos generales de materiales empleados hoy en día en la manufacturason los siguientes:

– Metales ferrosos : aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros paraherramientas y dados.

– Metales no ferrosos : aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superalea-ciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de

6 1.4. Selección de materiales

fusión y metales preciosos.

– Plásticos : termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.

– Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante —y otrosmateriales semejantes a este último—.

– Composites : plásticos reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica.Algunas veces, a éstos se les denomina también materiales de ingeniería.

– Materiales especiales : nanomateriales, aleaciones con memoria de forma,aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales diversos con pro-piedades únicas.

Las estructuras aeroespaciales y los productos deportivos han ocupado la pri-mera línea en la aplicación de los nuevos materiales. Para las estructuras de lasaeronaves comerciales la tendencia es a utilizar más titanio y composites, conuna reducción gradual en el uso de aluminio y acero.

Propiedades de los materiales Al seleccionar los materiales para los produc-tos, primero se consideran sus propiedades mecánicas —resistencia, tenacidad,ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia1—. Las relaciones entre resis-tencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes, particularmenteen aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los plás-ticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que losaceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse consi-derando las condiciones específicas en las que el producto deberá funcionar.

A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los ma-teriales —calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusióny propiedades eléctricas y magnéticas—. Las propiedades químicas también de-sempeñan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. Laoxidación, la corrosión, la degradación general de las propiedades, toxicidad einflamabilidad están entre los factores que deben considerarse.

Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan sipueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamientotérmico con relativa facilidad.

Costo y disponibilidad Si no hay disponibles materias primas procesadas ocomponentes manufacturados en la forma, dimensión y calidad deseadas, sehará necesario recurrir a sustitutos y/o al procesamiento adicional; éstos puedencontribuir de manera significativa al costo del producto. A menudo, un diseñode producto se puede modificar para aprovechar las dimensiones estándar delas materias primas, y por tanto evitar los costos de manufactura adicionales.En la disponibilidad de las materias primas hay que considerar especialmentela fiabilidad de su suministro. La mayor parte de los países importan numerosas

1Empleamos el término de «fluencia» en lugar de «cedencia», que es el que emplean lostraductores del texto.


materias primas esenciales para su producción. Estados Unidos, por ejemplo,importa la mayor parte de los volúmenes que emplea de materias primas comoel hule natural, diamante, cobalto, titanio, cromo, aluminio y níquel.

1.5. Selección de los procesos de manufactura

Los principales procesos de manufactura son los siguientes:

– Fundición: de molde desechable y de molde permanente.

– Formado y conformado: laminación, forja, extrusión, estirado, formado delámina, pulvimetalurgia y moldeo.

– Maquinado: torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochadoy esmerilado, maquinado ultrasónico, maquinado eléctrico, electroquímico,y maquinado de haz de alta energía.

– Unión: soldadura con y sin aporte de material, soldadura blanda, uniónpor difusión, unión adhesiva, y unión mecánica.

– Acabado: asentado, lapeado, pulido, bruñido, desbarbado, tratamiento su-perficial, recubrimiento y depósito.

Las operaciones de acabado pueden contribuir de forma significativa al costode un producto. En consecuencia, la tendencia ha sido pasar de la manufacturade la forma neta o cercana a la forma terminada, en la cual la pieza se fabricaen la primera operación, tan cerca de las dimensiones, tolerancias, acabadosuperficial y especificaciones finales deseadas como sea posible. Los ejemplostípicos de este tipo de manufactura son la forja de forma neta o cercana a laforma terminada, la fundición de piezas, el estampado de piezas de lámina demetal, el moldeo por inyección de plásticos y la fabricación de componentesmediante técnicas de pulvimetalurgia.

1.6. Manufactura integrada por computadora

Las metas principales de la automatización en instalaciones de manufacturaes integrar diversas operaciones de forma que se mejore la productividad, seincremente la calidad y la uniformidad del producto, se minimicen los tiemposdel ciclo y se reduzcan los costes de mano de obra.

Pocos desarrollos en la historia de la manufactura han tenido un impactotan significativo como las computadoras, que se emplean ahora en una ampliagama de aplicaciones que incluyen el control y la optimización de los procesosde manufactura, manejo de materiales, ensamblaje, inspección y prueba au-tomatizada de los productos, control de inventarios y numerosas actividadesadministrativas. El uso de las computadoras se ha extendido a la llamada ma-nufactura integrada por computadora (cim). Las principales aplicaciones de lascomputadoras en la manufactura son, en resumen, las siguientes:

8 1.6. Manufactura integrada por computadora

– Control numérico por computadora (cnc). Se trata de un método paracontrolar los movimientos de los componentes de las máquinas mediante lainserción directa de instrucciones codificadas en forma de datos numéricos.El control numérico fue implementado por vez primera en la década de loscincuenta, constituyendo un adelanto de importancia en la automatizaciónde las máquinas.

– Control adaptativo (ac). Los parámetros en un proceso de manufacturase ajustan de manera automática para optimizar la tasa de producción yla calidad del producto y minimizar el costo. Los parámetros como fuerza,temperaturas, acabado superficial y dimensiones de la pieza se vigilande manera constante. Si se mueven fuera del rango aceptable, el sistemaajusta las variables del proceso hasta que los parámetros quedan de nuevodentro del rango de valores determinado.

– Robots industriales. Introducidos a comienzos de la década de los sesenta,los robots industriales han venido reemplazando a los seres humanos entoda una serie de operaciones. Se están desarrollando robots con capaci-dades de percepción sensorial (robots inteligentes), con movimientos quesimulan los de los seres humanos.

– Manejo automatizado de los materiales, tanto en las diversas etapas defabricación como en el movimiento de almacenes y de unas máquinas aotras, así como en los puntos de inspección de inventarios y embarques.

– Sistemas de ensamble automatizados y robóticos. Los productos tienden aser diseñados de forma que puedan ensamblarse más fácilmente a máquina.

– Planificación de procesos asistida por computadora (capp). Esta herra-mienta permite mejorar la productividad en una planta al optimizar losplanes de proceso, reducir los costos de planificación y mejorar la con-sistencia de la calidad y la fiabilidad del producto. Al sistema puedenincorporarse también funciones tales como la estimación de los costos y lavigilancia de los estándares de trabajo.

– Tecnología de grupo (gt). Las piezas se pueden agrupar y producir clasifi-cándolas en familias, de acuerdo con similitudes de diseño y similitudes enlos procesos de manufactura empleados para su producción. Así pueden es-tandarizarse los diseños de las piezas y los planes de proceso, y las familiasde partes similares pueden producirse de manera eficiente y económica.

– Producción justo a tiempo ( jit). Los suministros se entregan justo a tiem-po para subensamblarlos y ensamblarlos, los productos se terminan justoa tiempo para ser entregados al cliente. Lo esencial es que los costos deinventario se reduzcan, los defectos de las piezas se detecten de inmediato,se incremente la productividad y se fabriquen productos de alta calidad abajo costo.

– Manufactura celular. Consiste en la utilización de estaciones de trabajo—celdas de manufactura—, que por lo general contienen varias máqui-nas controladas por un robot central, cada una de las cuales ejecuta unaoperación diferente sobre la pieza.


– Sistemas de manufactura flexible (fms). Esta metodología integra las cel-das de manufactura en una unidad grande, toda ella con un interfaz conuna computadora central. Aunque son muy costosos, estos sistemas soncapaces de producir con eficiencia partes en pequeños lotes y modificarsecuencias de manufactura de diferentes piezas de manera rápida; esta fle-xibilidad les permite hacer frente a cambios rápidos en la demanda delmercado para diversos tipos de productos.

– Sistemas expertos. Se trata de programas complejos de computadora, queestán desarrollando con rapidez la capacidad de llevar a cabo tareas yresolver problemas difíciles de la vida real, de manera muy similar a laforma como lo harían los seres humanos.

– Inteligencia artificial (ai). Los sistemas controlados por computadora seestán haciendo cada vez más capaces de aprender de la experiencia y de to-mar decisiones que optimizan las operaciones y que minimizan los costos.Las redes neuronales artificiales, que se diseñan para emular los procesosde pensamiento del cerebro humano, tienen la capacidad de moldear ysimular situaciones de producción, y controlar y supervisar procesos demanufactura, diagnosticar problemas en el desempeño de las máquinas,llevar a cabo planificación financiera y administrar la estrategia de manu-factura de la empresa.

– Manufactura compartida. Consistiría en una red regional o nacional de ins-talaciones de manufactura, con equipo de punta para la capacitación, eldesarrollo de prototipos y de lotes de producción en pequeña escala, y es-taría disponible para ayudar a pequeñas empresas a desarrollar productosque compitan en el mercado mundial.

1.7. Garantía y administración total de la calidad

En un sentido amplio, la calidad es una característica o propiedad forma-da por varias consideraciones técnicas y estéticas bien definidas. De maneratradicional, la garantía de la calidad se ha obtenido al inspeccionar las piezasdespués de su manufactura. ÃĽstas son inspeccionadas para asegurarse de quese ajustan a las especificaciones y normas de dimensiones, acabado superficial ypropiedades mecánicas y físicas.

Sin embargo, la calidad no puede ser inspeccionada en una unidad del pro-ducto una vez que éste ha sido fabricado. La práctica de inspeccionar productosuna vez fabricados ha sido reemplazada rápidamente por una visión, más am-plia, que considera que la calidad debe estar incorporada en el producto desdela etapa de diseño y a través de todas las etapas subsiguientes de manufacturay ensamblaje. El objetivo pasa a ser el control de los procesos, puesto que éstosconstituyen un factor crítico en la calidad de los productos.

Aunque se puede describir de varias maneras, la integridad del producto esun término que se puede utilizar para definir el grado en el cual un producto es(a) adecuado para su propósito, (b) satisface una necesidad real del mercado, (c)

10 1.8. Competitividad global y costos de manufactura

funciona de manera fiable dentro de su vida esperada, y (d) puede ser mantenidocon relativa facilidad.

La administración total de la calidad (tqm) y la garantía de calidad sonahora responsabilidad de todos cuantos están involucrados en e diseño y manu-factura de un producto. La nueva concepción de la calidad conlleva el uso depoderosas técnicas analíticas, como el control estadístico de procesos (spc) y losdiagramas de control para la vigilancia en línea de la producción de piezas ypara identificar con rapidez fuentes y problemas de calidad. La meta principales impedir que ocurran defectos, en lugar de detectarlos y rechazar productosdefectuosos una vez fabricados. Un desarrollo de importancia en la garantía decalidad es el diseño experimental, una técnica en la cual se estudian de manerasimultánea todos los factores empleados en un proceso de manufactura, así comosus interacciones.

La poderosa tendencia hacia la manufactura para y la competencia en elmercado mundial ha creado una necesidad para la aceptación internacional enel uso y en el consenso en relación con el establecimiento de métodos de controlde calidad. Esta necesidad ha resultado en la serie ISO9000 de la InternacionalOrganization for Standardization of Quality, Management and Quality Assu-rance Standards, así como en el QS9000. Un registro de una empresa para eseestándar —que es una certificación de procesos de calidad y no una certifica-ción de productos— significa que la empresa cumple con prácticas consistentes,según se especifica en su propio sistema de calidad. ISO9000 y QS9000 han in-fluenciado de manera permanente la forma en que las empresas llevan a cabosus negocios en el comercio mundial, y se han convertido en la norma mundialde calidad.

1.8. Competitividad global y costos de manufac-tura

Habitualmente, los costos de manufactura representan aproximadamente uncuarenta por ciento del precio de venta de un producto. Reducir este precio con-lleva, por tanto, una serie de principio de diseño para la producción económica.Los que se están siguiendo recientemente son los siguientes:

- El diseño debe hacer que el producto sea tan simple como sea posible ensu manufactura, ensamblaje, desensamblaje y reciclaje.

- Los materiales deben seleccionarse en función de sus características apro-piadas de manufactura.

- La precisión dimensional y el acabado superficial deben especificarse tanampliamente como sea posible, para minimizar los costes de manufactura.

- Las operaciones secundarias y de acabado de las piezas deben evitarse ominimizarse, porque aumentan los costos de forma significativa.


1.9. Producción sobria y manufactura ágil

La producción sobria o manufactura sobria consiste en un juicio crítico sobrecada una de las actividades de la empresa: la eficiencia de sus diversas operacio-nes, la posible no necesidad de alguna de ellas, la eficiencia de la maquinaria yequipo de producción, y el número de personas involucradas en cada operaciónparticular. Continúa con un análisis completo de los costos de cada actividad,incluyendo aquellos debidos a la mano de obra productiva y no productiva.

Este concepto requiere de un cambio fundamental en la cultura corporativa,así como un discernimiento de la importancia de la cooperación y del trabajoen equipo entre la administración y la fuerza de trabajo. Los resultados noredundan necesariamente en una reducción de costes; más bien, van dirigidoshacia la eficiencia y la rentabilidad de la empresa, al eliminar todo tipo dedesperdicio de las operaciones y encarar los problemas de inmediato.

La manufactura ágil es un término que ha sido acuñado par indicar el usode los principios de la producción sobria en una escala amplia. El principioque yace tras la manufactura ágil es asegurar la flexibilidad en la empresa demanufactura, de forma que se pueda responder rápidamente a los cambios en lademanda del producto y en las necesidades de los clientes.

1.10. Diseño y manufactura ambiental con con-ciencia social

En Estados Unidos solamente, todos los años se descartan nueve millonesde automóviles y 285 millones de llantas; aproximadamente 100 millones dedichas llantas se reutilizan de diversas maneras. Todos los años se desechan unoscinco mil millones de kilogramos de productos plásticos. Cada tres meses, lasindustrias y los consumidores desechan suficiente aluminio como para reconstruirla flota aérea comercial de todo el país. En Alemania, todos los años se desechan800.000 toneladas de televisores, radios y aparatos de computación.

Se están produciendo muchos avances en relación con todo esto, y en laindustria ha comenzado a emplearse el término diseño y manufactura con con-ciencia ambiental, lo que indica el amplio alcance del problema. Se está haciendoespecial énfasis en el diseño para el entorno (dfe) o diseño verde. Este procedi-miento anticipa el impacto ambiental negativo posible de materiales, productosy procesos, para que puedan tomarse en consideración desde las primeras etapasdel diseño de la producción. Los objetivos principales son evitar la contamina-ción en la fuente y promover el reciclaje y reutilización en vez de la eliminación.2

Estas metas han llevado al concepto de Diseño para el reciclaje.

2Por ejemplo, la obtención del aluminio a partir del desperdicio, en lugar del mineral delbauxita, cuesta sólo la tercera parte y reduce el consumo de energía y la contaminación enmás de un 90 %.

Tema 2

Introducción a los procesos

de fabricación

2.1. Polímeros: estructura, propiedades generalesy aplicaciones

Aunque la palabra «plásticos», que se utilizó por primera vez como sustan-tivo en 1909, se emplea de manera común como sinónimo de «polímeros», losplásticos son uno de los numerosos materiales poliméricos y tienen moléculasextremadamente grandes (macromoléculas).

Debido a sus muchas propiedades únicas y diversas, los polímeros han venidoreemplazando cada vez más a los componentes metálicos en aplicaciones paraautomóviles, aeronaves civiles y militares, artículos deportivos, juguetes, enseresy aparatos domésticos, y equipo de oficina. Este reemplazo refleja las ventajasque poseen los polímeros en función de las siguientes características : resistenciaa la corrosión y a los productos químicos; baja conductividad eléctrica y térmica;baja densidad; elevada relación de resistencia a peso, particularmente cuandose trata de plástico reforzado; reducción de ruido; amplia selección de coloresy transparencias; facilidad de manufactura y posibilidad de diseños complejos;costo relativamente bajo; y finalmente, algunas propiedades que pueden o no serdeseables dependiendo de la aplicación, tales como resistencia y rigidez reducida,elevado coeficiente de dilatación térmica, bajo rango de temperatura útil (hastaaproximadamente 350◦C), y menor estabilidad dimensional en servicio a travésdel tiempo.

La palabra plástico proviene del griego plastikos, que significa aquello que«se puede moldear y conformar». Los plásticos se pueden maquinar, fundir,conformar y unir en muchas formas con facilidad relativa. Se requieren opera-ciones mínimas adicionales —en el caso de que se requiera alguna en absoluto—de acabado superficial; esta característica representa una ventaja importanteen relación con los metales. Los plásticos están disponibles comercialmente enhojas, placas, películas, barras y tuberías de varias secciones transversales.

14 2.2. Procesos y equipo para la fundición de metales

La palabra polímero se utilizó por primera vez en 1866. Los primeros políme-ros se fabricaron con materiales orgánicos naturales provenientes de productosanimales y vegetales; el ejemplo más común es la celulosa. Mediante varias reac-ciones químicas, se modifica la celulosa convirtiéndose en acetato de celulosa,que se utiliza para fabricar películas fotográficas (celuloide), hojas para empa-quetar y fibras textiles; en nitrato de celulosa para plásticos y explosivos; enrayón (una fibra textil de celulosa) y en barnices. El primer polímero sintéticofue un fenol formaldehído, un termoestable desarrollado en 1906 denominadobaquelita (nombre comercial según L.H. Bäckeland, 1863–1944).

El desarrollo de la tecnología de los plásticos modernos comenzó en la décadade 1920, cuando se empezaron a extraer las materias primas necesarias para lafabricación de los polímeros del carbón y de los productos del petróleo. El etilenofue el primer ejemplo de materia prima y se convirtió en el bloque constructivopara el polietileno. El etileno es el producto de la reacción entre el acetileno y elhidrógeno; el acetileno es el producto de la reacción entre el coque y el metano.Los polímeros comerciales, incluyendo el polipropileno, el cloruro de polivinilo(pvc), polimetilmetacrilato, el policarbonato y otros son todos ellos fabricadosde una manera similar; estos materiales se conocen como polímeros orgánicossintéticos.

2.2. Procesos y equipo para la fundición de me-tales

Uno de los procesos más antiguos de conformado1 es el proceso de fundición,que básicamente conlleva el vaciado de metal fundido en la cavidad de un moldedonde, al solidificarse, adquiere la forma de la cavidad. La fundición se utilizópor primera vez alrededor del 4000 a.C. para la manufactura de ornamentos,puntas de flecha de cobre y varios objetos más.

El proceso de fundición es capaz de producir formas complejas en una solapieza, incluyendo aquellas con cavidades internas, como los monoblocks. A lolargo de muchísimos años, se han desarrollado muchos procesos de fundición.Al igual que en toda forma de manufactura, cada proceso posee sus propiascaracterísticas, aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos. Los procesos defundición son los que se seleccionan más a menudo, en comparación con otrosmétodos de manufactura, debido a las razones siguientes:

– La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas ocon secciones huecas.

– Puede producir piezas muy grandes.

– Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o noeconómicos de procesar utilizando otros procedimientos.

1En sentido amplio, el conformado hace referencia a toda transformación que se realizasobre un elemento material para proporcionarle una modificación de forma. Algunos auto-res, sin embargo —Kalpakjian entre ellos— aplican el término en sentido más restrictivo,vinculándolo exclusivamente a los procesos de deformación plástica de materiales metálicos.

2. Introducción a los procesos de fabricación 15

– La fundición es competitiva en comparación con otros procesos.

2.3. Procesos y equipo para el conformado y elmoldeado

El material inicial utilizado en el conformado y moldeado de los metales esusualmente metal en estado líquido, que es vaciado en lingotes individuales o,más recientemente, la colada continua de placas, varillas o tuberías. Además delas estructuras fundidas y trabajadas, la materia prima para la fabricación deproductos puede consistir en polvos de metal. Para los plásticos, el material conque se inicia son comúnmente partículas (pellets), hojuelas o polvo, y para loscerámicos son arcillas y óxidos, obtenidos de minerales o producidos de manerasintética.

Nótese que las palabras formado y moldeado aparecen juntamente en eltítulo de este epígrafe. Aunque la diferencia entre ellas no es rígida, el modeladose refiere al cambio de forma de un cuerpo sólido existente. El cuerpo que sellamará pieza de trabajo o simplemente pieza en bruto o materia prima, puedeestar en forma de placa, hoja, barra, varilla, alambre o tubería de diversassecciones transversales.

Los procesos de modelado por lo general conllevan el moldeo y la fundición.El producto resultante queda habitualmente en la forma final o casi final deseaday puede requerir poco o ningún acabado adicional.

Algunas de estas operaciones de manufactura producen productos largos ycontinuos, como placas, hojas, tubería y barras con varias secciones transver-sales. Los procesos de laminado, extrusión y estirado son capaces de elaborarestos productos a partir de materiales metálicos y no metálicos, incluyendo losplásticos reforzados; posteriormente se cortan a las longitudes deseadas. Porotra parte, los procesos tales como la forja, la metalurgia de polvos y la mayorparte de los procesos de modelado y de conformado para materiales no metálicosproducen productos discretos, como discos para turbina, engranajes y pernos.

Una consideración de importancia es la capacidad de trabajar y de modelarlos materiales, o sea la cantidad máxima de deformación que puede resistir unmaterial sin fallar en un proceso específico de conformado y modelado. El tér-mino capacidad de trabajado por lo general se aplica a procesos de deformaciónvolumétrica (como forja, laminado y extrusión) en los cuales las fuerzas apli-cadas a la pieza de trabajo son de naturaleza predominantemente compresiva.En contraste, el término capacidad de conformado se utiliza habitualmente paraprocesos de formado de lámina —como doblado, estampado, moldeado por esti-ramiento y embutido profundo— donde las fuerzas aplicadas son principalmentede tensión.

El laminado de productos planos y formados, el forjado de piezas discretas,la extrusión de largas piezas con varias secciones transversales y el estirado devarilla, alambre y tubo se conocen como procesos de deformación volumétrica,

16 2.4. Procesos de formado de hojas o láminas metálicas

porque las piezas y los productos tienen una relación relativamente alta devolumen a área superficial o de volumen a espesor.

2.4. Procesos de formado de hojas o láminas me-tálicas

El conformado de lámina data del 5000 a.C., cuando se fabricaban utensiliosdomésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata y cobre.

En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las pie-zas de metal laminado tienen la ventaja de poco peso y forma versátil. Por subajo coste y buenas características generales de resistencia y facilidad de con-formado, el acero al bajo carbono es el metal en forma de lámina que más seusa. Para aplicaciones en aviones y en naves espaciales, los materiales laminadosnormales son el aluminio y el titanio.

2.5. Moldeo y conformado de plásticos y mate-riales compuestos

Los plásticos se funden o curan a temperaturas relativamente bajas; enconsecuencia, y a diferencia de los metales, son fáciles de manejar y requierenmenos energía en su procesamiento. Sin embargo, las propiedades de las partesy los componentes de plástico están muy influidas por el método de fabricacióny los parámetros de procesamiento, por lo que es importante el control adecuadode esas condiciones para obtener una buena calidad de la pieza.

Los plásticos se suelen embarcar a las plantas manufactureras en formade partículas (pellets) o polvos, y se funden (en el caso de los termoplásticos)inmediatamente antes del proceso de moldeo. También se consiguen en formade lámina, placa, varilla y tubo, que se pueden conformar para obtener unadiversidad de productos. Los plásticos en estado líquido se usan en especialpara fabricar partes de plástico reforzado.

2.6. Procesos y equipos para unir

Aunque algunos productos se hacen de un solo componente, casi todos se en-samblan con componentes que fueron fabricados como piezas individuales. Aunlos productos relativamente sencillos consisten en al menos dos piezas distintasunidas por medio de varios métodos.

Un automóvil normal, por ejemplo, posee unos 15000 componentes; todosellos se deben armar mediante diferentes métodos de unión. Un avión Boeing74–400, por su parte, posee más de seis millones de partes.


La unión es un término genérico que cubre procesos como soldadura, lato-nado (soldadura fuerte), estañado (soldadura suave) y fijación mecánica. Estosprocesos son un aspecto importante y necesario de las operaciones de manufac-tura por las siguientes razones:

– Es imposible manufacturar el producto de una sola pieza.

– Es más económico fabricar productos en partes y unir después las piezas.

– Los productos como los motores de automóvil, secadores de pelo e im-presoras necesitan diseñarse de forma tal que se puedan desarmar parafacilitar el mantenimiento o la reparación.

– Pueden necesitarse distintas propiedades para los fines funcionales del pro-ducto.

– Se puede facilitar, y ser menos costoso, el transporte del producto encomponentes individuales, y ensamblarlos en la casa o la fábrica del cliente,que transportar el conjunto completo.

Existe una considerable cantidad de formas de clasificar la enorme variedad deprocesos de unión disponibles. Aquí, sin embargo, se empleará la última clasifi-cación de la Sociedad Americana de Soldadura (aws). Según esta, los procesosde unión entran en tres categorías principales: soldadura, unión adhesiva y suje-ción mecánica. A su vez, los procesos de soldadura se dividen en tres categoríasbásicas: soldadura de fusión, soldadura en estado sólido y soldadura fuerte yblanda.

La soldadura por fusión se define como el fundir conjuntamente y hacercoalescer materiales mediante el calor —que se suele suministrar por mediosquímicos o eléctricos—; pueden usarse o no materiales de relleno. Este procesoconstituye una parte principal de la soldadura; abarca la soldadura de arco conelectrodos consumibles o no consumibles y los procesos de soldadura con haz dealta energía. La unión soldada sufre cambios metalúrgicos y físicos importantesque, a su vez, tienen un gran efecto sobre las propiedades y el funcionamientodel componente o estructura soldados.

En la soldadura en estado sólido la unión se hace sin fundir; en consecuen-cia, no hay fase líquida (fundida) en la unión. Las categorías básicas son uniónpor difusión y soldadura en frío, ultrasónica, por fricción, por resistencia y porexplosión. La unión por difusión, combinado con el conformado superplástico,se ha convertido en un proceso importante en la manufactura de formas com-plejas. La latonado y el estañado usan metales de relleno e implican menorestemperaturas que en la soldadura por fusión; el calor requerido se suministraexteriormente.

La adhesión se ha vuelto una tecnología de importancia por sus diversasventajas; posee aplicaciones únicas que proporcionan resistencia, hermeticidad,aislamiento, amortiguamiento de vibraciones y resistencia a la corrosión entremetales distintos. Se incluyen en esta categoría los adhesivos conductores eléc-tricos para tecnologías de montaje superficial. La sujeción mecánica conlleva

18 2.7. Procesos y máquinas para remoción de material

métodos tradicionales que usan diversos sujetadores, tornillos, tuercas y rema-ches. Se pueden unir plásticos con adhesivos, fusión con diversas fuentes de calorinternas o externas, y con sujeción mecánica.

2.7. Procesos y máquinas para remoción de ma-terial

Las partes fabricadas con procesos de fundido, conformado y moldeado,que comprenden muchas de las fabricadas con métodos de forma casi neta oneta, requieren con frecuencia más operaciones antes de que el producto estélisto para usarse. Además, en muchas aplicaciones técnicas, las piezas debenser intercambiables, para funcionar en forma correcta y fiable durante sus vidasesperadas de servicio.

El maquinado es el término amplio para describir la remoción de materialde una pieza, y abarca varios procesos, que se suelen dividir en las siguientescategorías:

– Corte, que implica en general herramientas de corte de una o varias puntas,cada una con una forma bien definida de la herramienta.

– Procesos abrasivos, como el rectificado.

– Procesos avanzados de maquinado que usan los métodos eléctricos, quími-cos, térmicos e hidrodinámicos, así como láseres.

Los procesos de remoción de material son deseables o hasta necesarios enlas operaciones de manufactura, por las siguientes razones:

– Mejor precisión dimensional cerrada que se puede requerir, respecto a laque se obtiene sólo con los procesos de fundición, formación o moldeo.

– Las piezas pueden tener detalles geométricos externos e internos, al igualque esquinas agudas y planitudes que no se pueden producir con los pro-cesos de formado y moldeado.

– Algunas piezas se someten a diversos tratamientos térmicos para mejorarsu dureza y resistencia al desgaste. Ya que esas piezas pueden sufrir dis-torsiones y manchado superficial, por lo general requieren de operacionesde acabado adicionales, como rectificado, para obtener las dimensiones yacabado superficial finales deseados.

– Las piezas pueden adquirir características superficiales especiales, o unatextura superficial que no se puede obtener por otros métodos.

– Puede ser más económico maquinar la pieza que fabricarla por otros pro-cesos, en especial si la cantidad de piezas necesarias es relativamente pe-queña.


Contra estas ventajas, los procesos de remoción de material poseen ciertaslimitaciones.

– Los procesos de remoción, en forma inevitable, desperdician material, y engeneral requieren más energía, capital y mano de obra que las operacionesde formado y moldeado. En consecuencia, se deben evitar hasta donde seaposible.

– A menos que se hagan en forma correcta, los procesos de remoción dematerial pueden tener efectos adversos sobre la calidad superficial y laspropiedades del producto.

– Para eliminar un volumen de material de una pieza se necesita en generalmás tiempo que para formarla por otros procesos.

Los procesos y las máquinas de remoción de material son indispensablespara la tecnología de manufactura. Desde que se comenzaron a usar en tornoa 1700, se han desarrollado en forma continua muchos procesos. Hoy se con-sigue una diversidad de máquinas controladas por computadora, al igual quenuevas técnicas que usan láseres y fuentes de energía eléctrica, química, térmicae hidrodinámica.

Con el maquinado se puede producir una variedad de formas. Las máquinasen que se efectúan operaciones de remoción de material suelen denominarsemáquinas herramientas. Su construcción y características influyen mucho sobreestas operaciones y también sobre la calidad del producto, acabado superficialy precisión dimensional.

Es importante considerar las operaciones de maquinado y de manufacturacomo un sistema, que consiste en la pieza, la herramienta de corte y la máqui-na. Las operaciones de manufactura no se pueden llevar a cabo con eficiencia yeconomía sin conocer las interacciones entre estos elementos. Entre los nuevosdesarrollos están los centros de maquinado, que son máquinas herramientas ver-sátiles, controladas por computadoras y capaces de ejecutar con eficiencia unadiversidad de operaciones de maquinado.

Además de los procesos de maquinado, existe un conjunto de operacionesque se agrupan bajo el denominador común de procesos abrasivos. El ejemplomás común es una rueda de esmeril, en la que las partículas abrasivas se man-tienen unidas con un aglutinante. Entre otros ejemplos de operaciones abrasivasestá el lijado con abrasivos de recubrimiento (papel lija, lija esmeril), así comoel honeado, lapeado, pulido, lustrado, granallado y maquinado ultrasónico.

Por razones técnicas y económicas, no se pueden fabricar algunas piezas,en forma satisfactoria, mediante procesos de corte o abrasión. Desde la déca-da de 1940, se han producido desarrollos importantes en procesos avanzados demaquinado, como por ejemplo con medios eléctricos, químicos, térmicos e hidro-dinámicos para eliminar material. El maquinado químico, electroquímico, pordescarga eléctrica, rayo láser, haz de electrones, chorro abrasivo e hidrodinámicose han vuelto procesos importantes en la actualidad.

Tema 3

Conformación por moldeo I

3.1. Introducción

El proceso de fundición consiste básicamente en lo siguiente: (a) vaciarmetal fundido en un molde construido siguiendo la forma de la pieza a manu-facturar; (b) dejar que se enfríe, y (c) extraer el metal del molde.

3.2. Solidificación de los metales

Tras vaciar el metal fundido en un molde, ocurren una serie de eventosdurante la solidificación de la fundición y su enfriamiento hasta la temperaturaambiente. Estos eventos influencian de manera importante el tamaño, forma,uniformidad y composición química de los granos formados en toda la fundición,lo que a su vez tiene influencia sobre sus propiedades generales. Los factores demás importancia que afectan a estos eventos son el tipo de metal, las propiedadestérmicas —tanto del metal como del molde—, la relación geométrica entre elvolumen y el área superficial de la fundición y la forma del molde.

Metales puros Dado que un metal puro tiene un punto de fusión (o de soli-dificación) claramente definido, se solidifica a temperatura constante. Despuésde que la temperatura del metal fundido desciende hasta su punto de solidifica-ción, la temperatura se mantiene constante mientras el calor latente de fusiónse disipa. El frente de solidificación —interfaz sólido-líquido— se mueve a travésdel metal fundido, solidificándose desde las paredes del molde hacia el centro.Una vez que la solidificación ha concluido en todos los puntos, se reanuda elenfriamiento.

Consideremos la estructura de grano de un metal puro fundido en un moldecuadrado. En las paredes del molde, que están a temperatura ambiente, el metalse enfría con rapidez. Un rápido enfriamiento produce una piel o cáscara degranos finos equidimensionales. Los granos crecen en sentido contrario al de latransferencia de calor a través del molde. Los granos que tengan una orientación

22 3.2. Solidificación de los metales

favorable crecerán de manera preferencial, obteniéndose así granos columnares.

Conforme se reduce la fuerza impulsora de la transferencia térmica al alejar-se de las paredes del molde, los granos se hacen equiaxiales y grandes. Aquellosgranos que tengan orientaciones sustancialmente distintas quedan bloqueadoscontra un crecimiento adicional. Este desarrollo de los granos se conoce comonucleación homogénea, lo que quiere decir que los granos o cristales crecen sobresí mismos, a partir de la pared del molde.

Aleaciones En las aleaciones la solidificación se inicia cuando la temperatu-ra se reduce por debajo de la temperatura líquidus (TL), y finaliza cuando sealcanza la temperatura sólidus (TS). Dentro de este rango de temperaturas,la aleación está en un estado blando o pastoso con dendritas columnares. Esnotoria la presencia de metal líquido entre los brazos de las dendritas. Las den-dritas tienen brazos y ramas tridimensionales (brazos secundarios) que al finalse interconectan. El estudio de las estructuras dendríticas, aunque complejo,es importante porque estas estructuras contribuyen a factores negativos comovariaciones en la composición, segregación y microporosidad.

El ancho de la zona blanda, donde están presentes simultáneamente las faseslíquida y sólida, es un factor importante durante la solidificación. Esta zona sedescribe en función de la diferencia de temperatura, y se conoce como rangode solidificación (siendo = TL − TS). Los metales puros tienen un rango desolidificación que se acerca a cero, y en ellos el frente de solidificación se muevecomo un frente plano, sin formar una zona blanda. Los eutécticos solidifican demanera similar, con un frente aproximadamente plano.

El tipo de estructura de solidificación desarrollada depende de la compo-sición del eutéctico. En aleaciones con un diagrama de fase casi simétrico, laestructura es generalmente laminar, con dos o más fases sólidas presentes, de-pendiendo del sistema de aleación. Cuando la fracción volumétrica de la fasemenor de la aleación es inferior a aproximadamente un 25 %, la estructura tien-de a hacerse fibrosa. Estas condiciones son particularmente importantes paralos hierros fundidos. Para las aleaciones, se habla por lo general de rango desolidificación corto cuando la diferencia de temperaturas es de menos de 50◦C,y de rango de solidificación largo cuando la diferencia es de más de 110◦C.

Efecto de las velocidades de enfriamiento Bajas velocidades de enfria-miento o tiempos de solidificación local largos dan como resultado estructurasdendríticas gruesas, con grandes espaciamientos entre los brazos dendríticos. Avelocidades más rápidas de enfriamiento o tiempos de solidificación local cor-tos, la estructura se hace más fina, con un menor espaciamiento entre brazosdendríticos. Para velocidades de enfriamiento aún más elevadas, las estructurasdesarrolladas tienen carácter amorfo.

Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante influyen enlas propiedades de la fundición. Conforme se reduce el tamaño de grano, seincrementan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce lamicroporosidad —los huecos de contracción interdendríticos— en la fundición

3. Conformación por moldeo I 23

y disminuye la tendencia de la pieza fundida a agrietarse —el llamado desga-rramiento en caliente— durante la solidificación. La falta de uniformidad enel tamaño y en la distribución del grano dan como resultado fundiciones conpropiedades anisotrópicas. Un criterio que describe la cinética de la interfazlíquido-sólido es la relación G

R, donde G es el gradiente térmico (valores típicos

de 102–103 K

m) y R es la rapidez a la que se mueve la interfaz sólido-líquido

(valores típicos de 10−4–10−3 m

s).

Relaciones entre estructura y propiedades La composición de las dendritasy del metal líquido viene dada por el diagrama de fase de la aleación particu-lar. Cuando se enfría la aleación muy lentamente, la dendrita desarrolla unacomposición uniforme. Sin embargo, bajo velocidades de enfriamiento normales(más rápidas), que son las que se encuentran en la práctica, se forman dendritasnucleadas. La superficie de estas dendritas presenta una composición distinta ala de sus núcleos; a esta diferencia se le llama gradiente de concentración.

La superficie de la dendrita posee una concentración de elementos de alea-ción más elevada que el núcleo, debido al rechazo del soluto desde el núcleo haciala superficie durante la solidificación de la dendrita (microsegregación). Cercade las raíces de la dendrita existe una concentración más elevada de soluto.A diferencia de la microsegregación, la macrosegregación conlleva diferenciasde composición en toda la pieza fundida. En situaciones en las que el frentede solidificación se aleja de la superficie de la fundición como frente plano, losconstituyentes con menor punto de fusión en la aleación son empujados haciael centro (segregación normal). En estructuras dendríticas como las que se en-cuentran en las aleaciones de solución sólida ocurre lo contrario: el centro de lafundición tiene una menor concentración de elementos de aleación (segregacióninversa). La razón estriba en que el metal líquido —que tiene una concentraciónmás alta de elementos de aleación— entra en las cavidades desarrolladas debidoa contracción por solidificación en los brazos dendríticos que se han formadoanteriormente. Por último, la segregación por gravedad es un proceso medianteel cual las inclusiones o compuestos de densidad más elevada se hunden y loselementos más ligeros flotan hacia la superficie.

La estructura típica de una pieza fundida consta de una zona interna degranos equiaxiales. Esta zona interna se puede extender por toda la fundición alañadir un inoculante o agente de nucleación a la aleación. El inoculante inducela nucleación de los granos por todo el metal líquido (nucleación heterogénea).Debido a la presencia de gradientes térmicos en una masa en solidificación demetal líquido, y debido a la gravedad y las diferencias de densidad resultantes,la convección posee una fuerte influencia sobre las estructuras que se desarro-llan. La convección promueve la formación de una zona de enfriamiento exte-rior, refina el tamaño de grano y acelera la transición de granos columnares aequiaxiales. Incrementando la convección dentro del metal líquido, los brazosdendríticos se separan (multiplicación de dendritas). La reducción o eliminaciónde la convección da como resultado granos columnares dendríticos más largos ymás grandes.

Los brazos dendríticos no son demasiado fuertes, y en las primeras etapasde la solidificación se pueden romper por agitación o por vibración mecánica

24 3.3. Flujo del fluido

(formado semisólido de metal y reofundición). Este proceso da como resultadoun tamaño de grano más fino, con granos no dendríticos equiaxiales distribui-dos más uniformemente en toda la fundición. Se puede aumentar la convecciónempleando métodos mecánicos o electromagnéticos.

3.3. Flujo del fluido

El metal fundido se vacía a través de un depósito en forma de copa. Des-pués fluye a través del sistema de alimentación (bebedero, mazarotas y canalesde alimentación) en la cavidad del molde. El bebedero es un canal vertical através del cual el metal fundido fluye hacia abajo en el molde. Los canales dealimentación son canales del molde, que conectan el bebedero con los ataques.Estos últimos son la porción del canal de alimentación a través del cual el metalfundido entra en la cavidad del molde. Finalmente, las mazarotas actúan comodepósito para suministrar el metal fundido necesario para evitar la contraccióndurante la solidificación.

Para que la fundición sea correcta, se requiere de un diseño y control apro-piado del proceso de solidificación para asegurar un adecuado flujo del fluido ha-cia el sistema. El sistema de alimentación debe evitar —o, al menos, minimizar—los problemas, tales como el enfriamiento prematuro, la turbulencia y las tram-pas de gas. Antes de que llegue a la cavidad del molde, el metal fundido debeser manejado cuidadosamente para evitar la formación de óxidos en las super-ficies del metal fundido debida a la exposición al ambiente o a la introducciónde impurezas en el metal fundido. En el diseño de los canales de alimentación,son de interés dos principios básicos de la mecánica de fluidos: el teorema deBernouilli y la ley de continuidad de masa.

Teorema de Bernouilli La conservación de la energía requiere que, en un de-terminado tramo del sistema, se satisfaga la relación:

h1 +p1

ρg+

v21

2g= h2 +

p2

ρg+

v22

2g+ f,

donde f representa la pérdida por fricción en el líquido al moverse ésta haciaabajo a través del sistema. La pérdida por fricción incluye factores como pérdidade energía en las interfases líquido-pared del molde y turbulencia en el líquido.

Continuidad La continuidad del movimiento exige que se cumpla la relaciónQ = A1v1 = A2v2. Una aplicación de este principio es el diseño tradicional delos bebederos en forma de cono truncado. Suponiendo que la presión en la partesuperior del bebedero es igual a la presión en la parte inferior y que no haypérdidas por fricción, la relación entre altura y área transversal en cualquierpunto del bebedero está dada por la relación parabólica:

A1

A2

=

√

h2

h1


Si diseñamos un bebedero con área transversal constante y vaciamos me-tal fundido en el mismo, pueden desarrollarse regiones donde el líquido pierdacontacto con las paredes del bebedero. Como resultado de ello, puede darse elfenómeno de la aspiración, un proceso mediante el cual se succiona aire o seatrapa aire en el líquido. Por otra parte, los bebederos cónicos están siendo hoyen día reemplazados en muchos sistemas por bebederos de lados rectos con unestrangulador para permitir que el metal fluya con suavidad.

Características del flujo Una consideración de importancia en el flujo del fluidoen los sistemas de alimentación es la presencia de turbulencia, en contraposiciónal flujo laminar de los fluidos. Utilizamos el número de Reynolds, Re, paracuantificar este aspecto del flujo y del fluido; representa la relación de la inerciaa las fuerzas viscosas en el flujo de fluido y se define como sigue,

Re =vDρ

η

donde v es la velocidad del líquido, D es el diámetro del canal y ρ y η sonla densidad y la viscosidad del líquido, respectivamente. Mientras más elevadosea este número, mayor será la tendencia a un flujo turbulento. En sistemas dealimentación ordinarios, Re tiene valores de 2000–20000.

Un valor de Re de hasta 2000 representa un flujo laminar; entre 2000 y20000 representa una mezcla de flujo laminar y turbulento. Este tipo de mezclase considera inofensiva en los sistemas de alimentación. Sin embargo, valoresde Re por encima de 20000 representan una severa turbulencia, dando comoresultado el atrapamiento de aire y la formación escoria —la espuma que seforma en la superficie del metal fundido— debido a la reacción del metal líquidocon el aire y otros gases. Las técnicas para minimizar la turbulencia se basanen evitar los cambios súbitos en la dirección del flujo y en la geometría de lassecciones transversales del canal en el diseño del sistema de alimentación.

La espuma o escoria se puede eliminar casi completamente sólo mediantela fundición al vacío. La fundición atmosférica convencional reduce la espumao escoria mediante el desnatado, el uso apropiado de copas de vaciado y decanales de alimentación, o mediante el uso de filtros. Por lo general, los filtrosestán hechos de cerámica, mica o fibra de vidrio y es importante su colocacióny localización correcta para un filtrado efectivo de la espuma y de la escoria.Los filtros también pueden eliminar el flujo turbulento en el sistema de canalesde alimentación.

3.4. Fluidez del metal fundido

La capacidad del metal fundido para llenar las cavidades del molde se conocecomo fluidez. Depende principalmente de dos factores: las características delmetal fundido y los parámetros del vaciado. Las más importantes característicasdel metal fundido son las siguientes:

26 3.5. Transferencia de calor

– Viscosidad. Conforme se incrementa la viscosidad y su sensibilidad a latemperatura (índice de viscosidad) se reduce la fluidez.

– Tensión superficial. Una elevada tensión superficial del metal líquido re-duce la fluidez. Por ello, las películas de óxido sobre la superficie del metalfundido tienen un efecto adverso sobre aquella.

– Inclusiones. Como partículas insolubles, las inclusiones pueden tener unefecto adverso significativo sobre la fluidez.

– Patrón de solidificación de la aleación. La fluidez es inversamente propor-cional al rango de solidificación.

Por su parte, los parámetros de vaciado que más influencia poseen en lafluidez son:

– Diseño del molde.

– Material del molde y características superficiales del mismo. Mientras máselevada sea la conductividad térmica del molde y más ásperas sean lassuperficies del mismo, menor será la fluidez del material fundido. No obs-tante, el calentamiento del molde mejora la fluidez, alarga el tiempo desolidificación del metal y la fundición desarrolla granos grandes y, portanto, una menor resistencia.

– Grado de supercalentamiento. Se define como el incremento de la tempera-tura por encima del punto de fusión de la aleación; el supercalentamientomejora la fluidez al retrasar la solidificación.

– Velocidad de vaciado. Mientras más lenta sea la velocidad de vaciado delmetal fundido en el molde, mejor será la fluidez debida a una velocidadde enfriamiento más alta.

– Transferencia de calor. Este factor afecta de manera directa a la viscosidaddel metal líquido.

A pesar de que las interrelaciones son complejas, emplearemos el términogeneral de colabilidad o capacidad de fundición para describir la facilidad conla que se puede vaciar un metal para obtener una pieza de buena calidad.

Pruebas de fluidez Se han desarrollado varias pruebas para cuantificar la flui-dez, aunque ninguna de ellas es de aceptación universal. En una de estas pruebas,se hace que el metal fundido fluya a lo largo de un canal que está a temperaturaambiente. La distancia que recorre el metal antes de solidificarse y detenerse esuna medida de su fluidez.

3.5. Transferencia de calor

Una consideración de importancia en la fundición es la transferencia decalor durante el ciclo completo, desde el vaciado hasta la solidificación y el


enfriamiento hasta temperatura ambiente. El flujo de calor en diferentes sitiosdel sistema es un fenómeno complejo y depende de muchos factores relacionadoscon el material de fundición y los parámetros del molde y el proceso.

La distribución típica de temperatura en la interfase líquido-metal del moldees la siguiente: el calor del metal líquido es disipado a través de la pared delmolde y del aire circundante. La caída de temperatura en las interfases aire-molde y molde-metal está causada por la presencia de capas límite y un contactoimperfecto en dichas interfases. La forma de la curva depende de las propiedadestérmicas del metal fundido y del molde.

Tiempo de solidificación Durante las primeras etapas de la solidificación, seempieza a formar una película delgada solidificada en las paredes frías del moldey, conforme pasa el tiempo, dicha película se hace más gruesa. Con paredes demolde planas, este espesor es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo.

El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de suárea superficial (regla de Chvorinov); se tiene que ts = C

(

VA

)2, donde C es

una constante que depende del material del molde, de las propiedades del metaly de la temperatura. Así se puede demostrar que un metal fundido en un moldede forma cúbica se solidificará más aprisa que en un molde esférico del mismovolumen.

Contracción En razón a sus características de dilatación térmica, los metalesse encogen o contraen durante la solidificación y el enfriamiento. La contracción,que causa cambios dimensionales y, algunas veces, agrietamiento, es el resultadode tres procesos diferentes: la contracción del metal fundido al enfriarse antesde su solidificación; la contracción del metal durante el cambio de fase de líqui-do a sólido, y la contracción del metal solidificado (la fundición) conforme sutemperatura baja hasta la ambiental.

3.6. Defectos

En el proceso de manufactura se pueden presentar varios defectos, depen-diendo de factores como los materiales, el diseño de las piezas y las técnicas desu procesamiento. Dado que en el pasado se han empleado nombres diferentespara definir el mismo defecto, el International Committee of Foundry TechnichalAssociations ha desarrollado una nomenclatura estándar que consiste en sietecategorías básicas de defectos de fundición. Son los siguientes:

– Proyecciones metálicas, formadas por aletas, rebabas o proyecciones ma-sivas como ondulaciones y superficies ásperas.

– Cavidades, formadas por cavidades redondeadas o ásperas internas o ex-puestas, incluyendo sopladuras, porosidad y cavidades de contracción.

28 3.6. Defectos

– Discontinuidades, como grietas, grietas en caliente o en frío y puntos fríos.Si al metal en solidificación se le restringe su libre contracción, puede ocu-rrir el agrietamiento y el desgarramiento. Un tamaño de grano grande yla presencia de segregados de bajo punto de fusión a lo largo de las fron-teras de grano (intergranular) incrementa la tendencia al agrietamientopor calor. El punto frío es una interfase en una fundición que carece deuna fusión completa debido a la unión de dos corrientes de metal líquidoprovenientes de puertas diferentes.

– Superficie defectuosa, como son pliegues, traslapes, cicatrices, capas dearena adheridas y cascarilla de óxido.

– Fundición incompleta, tal como la falta de llenado —debida a una solidi-ficación prematura—, volumen insuficiente de metal vaciado y fugas.

– Dimensiones o formas incorrectas, debido a factores tales como una ina-decuada tolerancia de contracción, un error en el montaje del modelo, unacontracción irregular, un modelo deformado o una fundición torcida porla liberación de esfuerzos residuales.

– Inclusiones, que se forman durante la fusión, solidificación y moldeo. Porlo general de naturaleza no metálica, se consideran perjudiciales como ele-vadoras del esfuerzo, y reducen la resistencia de la fundición. Se puedenfiltrar partículas de hasta 30 micras durante el procesamiento del metalfundido. Durante la fusión se pueden formar inclusiones cuando el metalfundido reacciona con el entorno (oxígeno, por lo general) o con el mate-rial del crisol o del molde. Las reacciones químicas entre los componentesdel metal fundido pueden producir inclusiones; las escorias y otros ma-teriales extraños atrapados en el metal fundido también se convierten eninclusiones. El desmoronamiento de las superficies del molde y del corazóntambién produce inclusiones, lo que indica la importancia de la calidad delos moldes y de su mantenimiento.

Porosidad La porosidad en una fundición puede estar causada por contracción,por gases o por ambos factores. La porosidad es perjudicial para la ductilidad deuna fundición y para su acabado superficial, haciéndola permeable y afectandoasí, por ejemplo, a la compacidad de un recipiente a presión fundido.

Se pueden desarrollar regiones porosas en las fundiciones debido a la con-tracción del metal solidificado. Pueden desarrollarse regiones porosas en suspartes centrales, pues debido a contracción conforme las superficies de la regiónmás gruesa empiezan a solidificarse primero. También se puede desarrollar lamicroporosidad cuando el metal líquido se solidifica y se contrae entre dendritasy entre ramas dendríticas.

La porosidad causada por contracción puede reducirse o eliminarse emplean-do varios procedimientos. El uso de enfriadores metálicos internos o externos,en fundiciones de arena, es también un medio efectivo para reducir la porosidadpor contracción. La función de los enfriadores es incrementar la velocidad desolidificación en regiones críticas.


En las aleaciones, la porosidad se puede reducir o eliminar haciendo másabrupto el gradiente de temperatura. Por ejemplo, se pueden emplear materialespara el molde con una conductividad térmica más elevada. Los metales líquidostienen una solubilidad mucho más grande para los gases que los metales sólidos.Cuando un metal se empieza a solidificar, los gases disueltos son expulsados dela solución.

Los gases disueltos pueden ser sacados del metal fundido mediante «lava-dos» o purgas con un gas inerte, o fundiendo y vaciando el metal en el vacío.Si el gas disuelto es oxígeno, el metal fundido se puede desoxidar. El acero sedesoxida habitualmente utilizando aleaciones de aluminio, silicio y cobre conmateriales que contengan cobre, titanio y circonio fosforado.

Puede resultar difícil determinar si la microporosidad es resultado de la con-tracción o ha sido causada por gases. Si la porosidad es esférica con paredes lisas,habitualmente se debe a los gases. Si las paredes son ásperas y angulares, es pro-bable que la porosidad provenga de contracción entre dendritas. Una porosidadgrande proviene de la contracción; se la denomina cavidad por contracción.

Tema 4

Conformación por moldeo II

4.1. Introducción

Este tema se desarrollará siguiendo las clasificaciones principales de las prác-ticas de fundición. Estas clasificaciones están relacionadas con el material de losmoldes, los procesos de moldeo y los métodos para alimentar el molde con metalfundido. Las principales categorías son:

– Moldes desechables, fabricados con arena, yeso, cerámica y materiales si-milares. Por lo general, van mezclados con varios aglutinantes o agentesde unión. Estos materiales son refractarios, i.e., son capaces de resistirlas elevadas temperaturas de los materiales fundidos. Una vez solidificadala pieza colada, en estos procesos el molde se rompe para retirar la piezafundida.

– Moldes permanentes, hechos de metales que conservan su resistencia a al-tas temperaturas. Se utilizan de manera repetida y están diseñados deforma que la pieza colada pueda ser retirada con facilidad y el molde pue-da ser reutilizado en la siguiente colada. Dado que los moldes de metalson mejores conductores del calor que los moldes desechables no metáli-cos, la pieza fundida, al solidificarse, queda sometida a una velocidad deenfriamiento más elevada, lo que a su vez afecta a la microestructura y altamaño del grano.

– Moldes compuestos, fabricados con dos o más materiales distintos, talescomo arena, grafito y metal, combinando las ventajas de cada uno.

4.2. Fundición en arena

El método tradicional de variado de metales es en moldes de arena, y asíse ha usado desde hace milenios. La fundición en arena consiste en: (a) colocarun modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión;(b) incorporar un sistema de alimentación; (c) llenar la cavidad resultante de

32 4.2. Fundición en arena

metal fundido; (d) dejar que el metal se enfríe hasta que solidifique; (e) romperel molde de arena, y (f) retirar la pieza fundida.

4.2.1. Arenas

La mayor parte de las operaciones de fundición en arena usan arena de sílice(SiO2), que es el producto de la desintegración de rocas a lo largo de períodosde tiempo extremadamente largos. La arena es económica y adecuada comomaterial para el molde, debido a su resistencia a altas temperaturas. Existen dostipos generales de arena: la naturalmente unida o arena de banco y la sintéticao arena de lago. En vista de que su composición se puede controlar con mayorprecisión, la mayor parte de las fundidoras prefieren la arena sintética.

Son importantes varios factores en la selección de la arena para los moldes.La arena con granos finos y redondos se puede prensar más y forma una super-ficie lisa en el molde. Aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia delmolde, los granos finos también reducen su permeabilidad. Los moldes y corazo-nes con buena permeabilidad permiten la fácil salida de los gases y vapores quese presentan durante la fundición. El molde debe tener también una buena co-lapsabilidad para permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse y evitarasí defectos en el colado, como grietas en caliente y agrietamientos.

Se utilizan mezcladoras para integrar uniforme y completamente la arenacon los aditivos. Para unir las partículas de arena, dándole resistencia, se utilizala arcilla (bentonita) como aglutinante. A menudo se utilizan arenas de circonio(ZrSiO4), olivino (Mg2SiO4) y silicato de hierro (Fe2SiO4) en fundidoras deacero debido a su baja dilatación térmica. La cromita (FeCr 2O4) se utilizadebido a sus elevadas características de transferencia térmica.

4.2.2. Tipos de moldes de arena

Los moldes de arena se clasifican según los tipos de arena que los forman ylos métodos utilizados para su producción. Existen tres tipos básicos de moldesde arena: arena verde, caja fría y moldes no cocidos.

El material de molde más común es la arena de moldeo verde, que es unamezcla de arena, arcilla y agua. El término «verde» se refiere al hecho de queal vaciarse el metal en su interior, la arena en el molde está húmeda. El moldeocon arena verde es el método más económico de fabricación de moldes.

En el método de película seca, las superficies del molde se secan, ya sea alma-cenando el molde al aire o secándolo con soplete. Debido a su mayor resistencia,estos moldes se utilizan generalmente en fundiciones grandes.

Los moldes de arena también se secan en horno antes de vaciar el metalfundido; son más resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor pre-cisión dimensional y acabado superficial a la colada. Sin embargo, este métodotiene inconvenientes: es mayor la distorsión del molde, las fundiciones tienenmayor tendencia a sufrir grietas en caliente debido a la menor colapsabilidad

4. Conformación por moldeo II 33

del molde, y la tasa de producción es más lenta en razón del tiempo de secadorequerido.

En el proceso de molde de caja fría, se mezclan varios aglutinantes orgánicose inorgánicos en la arena para unir químicamente los granos, de cara a que elmolde posea una mayor resistencia.

En el proceso de molde no cocido, se mezcla una resina sintética líquida conla arena; la mezcla se endurece a la temperatura ambiente. Dado que la unióndel molde en este proceso y en el de caja fría ocurre sin calor, estos procesos seconocen como procesos de curado en frío.

Los principales componentes de los moldes de arena son los siguientes:

– El molde mismo, que está soportado por una caja de moldeo.

– Copa de vaciado o basín, en el cual se vacía el metal fundido.

– Un bebedero, a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo.

– El sistema de alimentadores, que son canales que llevan el metal coladodesde la mazarota a la cavidad del molde. Las entradas a la cavidad delmolde se denominan ataques.

– Las mazarotas, que suministran metal adicional a la fundición conformeésta se contrae durante la solidificación.

– Corazones, que son insertos hechos de arena. Se colocan en el molde paraformar oquedades o de alguna otra manera para definir la superficie inte-rior de la fundición. A veces se utilizan también en la parte exterior paraformar características diversas: letras, barrenos ciegos, etcétera.

– Respiraderos, que se colocan en los moldes para extraer los gases produci-dos cuando el metal fundido entra en contacto con la arena en el molde yel corazón. También dejan salir el aire de la cavidad del molde conformeel metal fundido fluye dentro del mismo.

4.2.3. Modelos

Los modelos se utilizan para moldear la mezcla de arena a la forma dela fundición. Pueden estar hechos de madera, plástico o metal. La seleccióndel material del modelo depende del tamaño y de la forma de la fundición, laprecisión dimensional, la cantidad de coladas requeridas y el proceso de moldeo.A fin de reducir el desgaste en regiones críticas, pueden ser fabricados con unacombinación de materiales. Por lo general, los modelos son recubiertos por unagente separador para facilitar su extracción de los moldes.

Los modelos se pueden diseñar con una diversidad de características quese adecuen a la aplicación y a los requerimientos económicos. Los modelos deuna sola pieza, también conocidos como patrones sueltos o sólidos, se utilizangeneralmente para formas simples y producción de bajo volumen. Normalmente,

34 4.2. Fundición en arena

se hacen de madera y son poco costosos. Los modelos divididos son de dos piezas,fabricados de manera que cada parte forme una porción de la cavidad parala fundición; de esta manera se pueden producir formas fundidas con formascomplicadas.

El diseño del modelo es un aspecto vital de la operación total de la fundición.El diseño debe prever la contracción del metal, la facilidad de extracción delmolde de arena mediante ángulos de salida y un flujo adecuado del metal en lacavidad del molde.

4.2.4. Corazones

Los corazones se colocan en la cavidad del molde antes de la colada paraformar las superficies interiores de la misma y son extraídos de la pieza termina-da durante la limpieza y procesamiento posteriores. Al igual que los moldes, loscorazones deben tener resistencia, permeabilidad, capacidad de resistir el calory colapsabilidad; por tanto, se fabrican con compuestos de arena.

El corazón se fija mediante plantillas de corazones. Éstas se generan porrecesos que se agregan al modelo para soportar el corazón y proporcionar venti-laciones para el escape de los gases. Un problema común que poseen los corazoneses que, para ciertos requisitos de fundición, como en el caso en el que se requiereun receso, pueden carecer de superficie de soporte estructural en la cavidad.Para impedir que se muevan, se pueden utilizar soportes para anclar el corazónen su sitio.

Por lo general, los corazones se fabrican de manera similar a los moldes;la mayor parte se hace utilizando procesos de moldes en cáscara, no cocidos ode caja fría. Los corazones se forman en cajas de corazones, que se utilizan demanera muy similar a los modelos para formar los moldes de arena. La arenase puede compactar en las cajas con apisonadores o soplarla dentro de la cajamediante aire comprimido a través de sopladores de corazón. Esto último ofreceventajas de lograr corazones uniformes y velocidades de producción muy altas.

4.2.5. Máquinas para el moldeo de la arena

El método más antiguo conocido de moldeo que se sigue utilizando parafundiciones simples, es compactar la arena presionándola con la mano (api-sonamiento) o compactarla alrededor del modelo. Para la mayor parte de lasoperaciones, sin embargo, la mezcla de arena se compacta alrededor del mode-lo utilizando máquinas de moldeo. Estas máquinas eliminan horas de mano deobra, ofrecen fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribuciónde las fuerzas, manipulan el molde de una manera cuidadosamente controladae incrementan la velocidad de producción.

La mecanización del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamientodel conjunto. La caja de moldeo, la arena del molde y el modelo se colocanen primer término en una placa modelo montada en un yunque, y después es


apisonada hacia arriba con presión de aire a intervalos rápidos. Las fuerzasde inercia compactan la arena alrededor del modelo. El apisonado produce lacompactación más elevada en la línea de partición horizontal, en tanto que en lacompactación por placa para la compresión es más elevada en la zona cercanaa la placa, por lo que se puede obtener una compactación más uniforme alcombinar la compresión y el apisonado.

En el modelo vertical sin caja, las mitades del modelo forman una paredde cámara vertical contra la cual se sopla y se compacta la arena. Luego, lasmitades del molde se unen horizontalmente, con la línea de posición orienta-da verticalmente moviéndose a lo largo de un transportador de vaciado. Estaoperación es simple y elimina la necesidad de manejar cajas de moldeo, per-mitiendo velocidades de producción muy elevadas, particularmente cuando yaestán automatizados otros aspectos de la operación. Los lanzadores de arenallenan la caja de moldeo de manera uniforme con la arena en un chorro de altapresión, a velocidades tan altas que la máquina no sólo coloca la arena, sino quela compacta apropiadamente.

En el moldeo por impacto, la arena se compacta mediante una explosióncontrolada o mediante la liberación instantánea de gases comprimidos. En elmoldeo por vacío, también conocido como el proceso V, el modelo se cubrecompletamente con una hoja delgada de plástico. Se coloca un cajón de moldeosobre el modelo recubierto y se llena con arena seca sin aglutinante. El vacíoendurece la arena, de forma que se pueda retirar el modelo; de este modo sefabrica cada una de las mitades del molde, que posteriormente se ensamblan.

Una vez solidificado el metal, se elimina el vacío y la arena cae, liberandola fundición. El moldeo por vacío produce coladas con detalle de alta calidady precisión dimensional. Es especialmente adecuado para fundiciones grandes yrelativamente planas.

4.2.6. La práctica de la fundición en arena

Una vez formado el molde y colocados los corazones en su sitio, las dosmitades (moldes superior e inferior) se cierran, se sujetan y se les colocan pesosencima. Esto último se hace para impedir la separación de las secciones del moldedebido a la presión ejercida cuando se vacía el metal fundido en la cavidad delmolde.

Después de la solidificación, se sacude la pieza fundida sacándola de sumolde, y por vibración o mediante chorro de arena, se eliminan las capas dearena y óxido adheridas a la fundición. Las fundiciones de hierro también selimpian con chorro de granalla de acero o arena. Las mazarotas y los sistemasde alimentación se cortan por corte con oxicombustible gas, sierra, cizallas ydiscos abrasivos, o son recortados en troqueles. Las mazarotas y los sistemasde alimentación en las fundiciones de acero también son eliminados utilizandopistolas de arco de carbono en aire o inyección de polvo. Las fundiciones sepueden limpiar por métodos electroquímicos o por ataque químico, a fin deeliminar los óxidos superficiales.

36 4.3. Moldeo en cáscara o en concha

La precisión dimensional de la fundición en arena no es tan buena comoen otros procesos de fundición. Sin embargo, con este proceso se pueden fundirformas complicadas tales como monoblocks de hierro fundido y hélices muygrandes para los trasatlánticos. La fundición en arena puede ser económica paralotes de producción relativamente pequeños, y los costos por concepto de equiposon, por lo general, bajos.

Si algunas regiones de la fundición no se han formado correctamente o se hanformado de manera incompleta, se pueden reparar los defectos rellenándolos consoldadura adecuada. Las fundiciones en molde de arena tienen, por lo general,superficies ásperas y granuladas, dependiendo de la calidad del molde y de losmateriales utilizados.

La pieza colada puede entonces tratarse térmicamente, a fin de mejorar cier-tas propiedades necesarias para el uso de servicio pretendido. Las operaciones deacabado pueden incluir el enderezar a máquina, o el forjado con dados para ob-tener las dimensiones finales. También las imperfecciones superficiales menorespueden llenarse con un epoxi cargado de metal, especialmente para fundicionesde hierro colado, que son difíciles de soldar.

4.3. Moldeo en cáscara o en concha

El moldeo en cáscara o concha se desarrolló por primera vez en la décadade 1940, y ha crecido de manera significativa desde entonces, ya que se pue-den producir a bajo coste muchos tipos de fundición con estrechas toleranciasdimensionales y un buen acabado superficial. La parte inicial de este procesoconsta de varios pasos: (a) un modelo montado hecho con un metal ferroso ode aluminio se calienta a 175–370◦C; (b) el modelo es recubierto con un agenteseparador, como por ejemplo silicona, y (c) se sujeta a una caja o una cámara.

La caja contiene arena fina mezclada (a un 2,5–4,0 por ciento) con un aglu-tinante de resina termoestable (como el fenolformaldehído), que recubre las par-tículas de arena. La caja se voltea o la mezcla de arena se sopla sobre el modelo,permitiendo que la arena lo recubra.

Todo el conjunto se coloca entonces en un horno durante un corto período detiempo, para completar el curado de la resina. En la mayor parte de las máquinasde moldeo en cáscara, el horno es una caja metálica con quemadores de gas, quegiran sobre el molde de cascarón para curarlo. El cascarón se endurece alrededordel modelo y es retirado de éste mediante bujes de eyección incorporados. De estamanera se hacen dos medios cascarones, que se pegan o juntan en preparaciónpara el vaciado.

El espesor del cascarón se puede determinar con precisión mediante el con-trol del tiempo que el modelo está en contacto con el molde. De esta manera,se puede formar un cascarón con la resistencia y la rigidez requeridas para quesoporte el peso del líquido fundido. Los cascarones son ligeros y delgados, yen consecuencia sus características térmicas son distintas de las de moldes másgruesos.


La arena del cascarón tiene una mucho menor permeabilidad que la arenaque se utiliza para el moldeo en arena verde, ya que el moldeo en cáscara utilizauna arena con un tamaño de grano mucho más pequeño. La descomposición delaglutinante del cascarón de arena también produce un elevado volumen de gas; amenos que los moldes estén correctamente ventilados, el aire y el gas atrapadospueden causar serios problemas en el moldeo en cáscara de fundiciones ferrosas.

Las paredes del molde son relativamente lisas, ofreciendo poca resistencia alflujo de metal fundido y produciendo piezas con esquinas más agudas, seccionesmás delgadas y proyecciones más pequeñas de lo que es posible en moldes dearena verde. El costo de los aglutinantes de resina queda compensado en partepor el hecho de que solamente se necesita una vigésima parte de la arena utilizadaen la fundición en arena. El costo relativamente elevado de los modelos de metalse convierte en un factor de poca importancia conforme se incrementa el tamañode los lotes de producción.

La elevada calidad de la pieza terminada puede reducir de manera signi-ficativa los costos de acabado, maquinado y otros. Se pueden producir formascomplejas con menos mano de obra, y se puede automatizar el proceso conrelativa facilidad. Las aplicaciones del moldeo en cáscara incluyen pequeñas pie-zas mecánicas que requieren alta precisión, como alojamientos para engranajes,cabezas de cilindros y bielas; el proceso se utiliza también ampliamente en laproducción de corazones de moldeo de alta precisión.

4.3.1. Moldes compuestos

Los moldes compuestos están hechos de dos o más materiales diferentes y seutilizan en el moldeo en cáscara y en otros procesos de fundición. Generalmente,se emplean en la fundición de formas complejas como impulsores para turbinas.

4.3.2. Proceso al silicato de sodio

El material del molde en el proceso al silicato de sodio es una mezcla de arenay de un 1,5–6,0 por ciento de silicato de sodio (vidrio líquido) como aglutinante.La mezcla se compacta alrededor del modelo y se endurece soplando dióxidode carbono (CO2) a través de él. Este proceso, también conocido como arenacurada con silicato o proceso al dióxido de carbono, se utilizó por primera vez enla década de 1950, y ha sido posteriormente desarrollada, por ejemplo, utilizandootros productos químicos como aglutinantes.

4.3.3. Moldeo con grafito compactado

En este proceso se utiliza el grafito compactado para fabricar moldes paracolar metales reactivos como el titanio y el circonio. No se puede utilizar arenaporque estos metales reaccionan vigorosamente con el sílice. Los moldes se com-pactan de una manera similar a los moldes de arena, se secan al aire, se hornean

38 4.4. Fundición en modelo consumible (poliestireno expandido)

a 175◦C, se queman a 870◦C, y después se almacenan a humedad y temperaturacontroladas.

4.4. Fundición en modelo consumible (poliestire-no expandido)

El proceso de fundición en modelo consumible —también llamado de modeloevaporado o de modelo perdido, y con el nombre comercial de molde lleno—utiliza un modelo de poliestireno que se evapora en contacto con el metal fundidopara formar una cavidad para la fundición. Se ha convertido en uno de losprocesos de fundición más importantes para metales ferrosos y no ferrosos, enparticular en la industria automotriz.

En este proceso, se colocan bolas de poliestireno crudo desechable (eps),conteniendo pentano entre un cinco y un ocho por ciento, en un dado preca-lentado que, por lo general, está hecho de aluminio. El poliestireno se expandey adopta la forma de la cavidad del dado; se aplica entonces más calor, parafundir las bolas y unirlas entre sí. El dado se deja enfriar y se abre, retirándoseel modelo de poliestireno. También se pueden hacer modelos complejos unien-do varias secciones de modelos individuales utilizando un adhesivo de fusión encaliente.

El modelo se recubre con un barro refractario de base acuosa, se seca y secoloca en una caja de moldeo. La caja se llena de arena suelta y fina, que rodeay soporta el modelo, y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes paradarle resistencia adicional. La arena se compacta de manera periódica utilizandodiversos medios. Entonces, sin retirar el patrón de poliestireno, se vacía el metalfundido en el molde.

Esta acción vaporiza de inmediato el modelo, y llena la cavidad del molde,reemplazando completamente el espacio que antes ocupaba el modelo de polies-tireno. El calor degrada (despolimeriza) el poliestireno, y los productos de ladegradación se ventilan hacia la arena circundante.

Dado que el polímero requiere de una considerable energía para degradarse,se presentan grandes gradientes térmicos en la interfase metal-polímero; en otraspalabras, el metal fundido se enfría más deprisa de lo que lo haría si se vaciaraen una cavidad. En consecuencia, la fluidez es inferior a la de la fundición enarena. Esto tiene efectos importantes en la microestructura en toda la fundición,y también conduce a una solidificación direccional del metal.

Este proceso posee una serie de ventajas sobre otros métodos de fundición:el proceso es relativamente simple, porque no existen líneas de partición, corazo-nes o sistemas de alimentación; para el proceso bastan cajas de moldeo de bajocosto; el poliestireno es económico y se puede procesar con facilidad en modeloscon formas complejas, tamaños varios y un fino detalle superficial; la fundiciónrequiere un mínimo de operaciones de acabado y limpieza; y el proceso puedeautomatizarse y es económico para grandes lotes de producción. Aplicaciones tí-


picas de este proceso son las cabezas de cilindro, los cigüeñales, los componentesde frenos y las bases para maquinaria.

En una modificación del proceso de modelo perdido, un modelo de polies-tireno es rodeado por un cascarón cerámico (Replicast C-S Process). El modelose quema antes del vaciado del metal fundido en el molde. Su ventaja principalsobre la fundición por revestimiento es que se evita completamente la absorciónde carbono en el metal.

Los nuevos desarrollos en la fundición de modelo perdido incluyen, entreotras cosas, la producción de composites metal matriz. Durante el proceso delmoldeo del modelo de polímero, se incrustan en su volumen fibras o partículas.Éstas se convierten en parte integral de la fundición.

4.5. Fundición en molde de yeso

En el proceso de la fundición en molde de yeso, el molde se hace de yeso(sulfato de calcio), con la adición de talco y polvo de sílice para mejorar laresistencia y controlar el tiempo requerido para el curado del yeso. Estos com-ponentes se mezclan con agua, y el barro resultante es vaciado sobre el modelo.

Una vez curado el yeso, por lo general tras quince minutos, se retira el patróny se deja secar el molde a 120–260◦C para eliminar la humedad. Las mitades delmolde se ensamblan para formar la cavidad del mismo y se precalientan hastaaproximadamente 120◦C. El metal fundido es vaciado entonces en el molde.

Dado que los moldes de yeso tienen una permeabilidad muy baja, los gasesque se forman durante la solidificación del metal no pueden escaparse. En conse-cuencia, el metal fundido es vaciado en vacío o a presión. Se puede incrementarsustancialmente la permeabilidad del molde utilizando el proceso Antioch, en elcual los moldes se deshidratan en un autoclave durante 6–12 horas, y despuésse rehidratan en aire durante 14 horas. Otro método de incrementar la permea-bilidad es utilizar yeso espumoso, que contenga burbujas de aire atrapadas.

Los modelos para el colado en yeso se fabrican, por lo general, de aleacionesde aluminio, plásticos termoestables, de latón o de aleaciones de cinc. En vistade que existe un límite para la temperatura máxima que puede resistir un moldede plástico (unos 1200◦C), la fundición con moldes de yeso se utiliza únicamentepara aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de base cobre.

Las piezas fundidas poseen detalles finos con un buen acabado superficial.Dado que los moldes de yeso tienen una menor conductividad térmica en com-paración con otros, las fundiciones se enfrían lentamente, y se obtiene así unaestructura de grano más uniforme, con menos deformación. El espesor de lasparedes de las piezas puede ser de entre 1,0 y 2,5 milímetros.

Este proceso y los procesos de fundición en moldes cerámico y por recubri-miento se conocen como fundiciones de precisión, en razón a la elevada precisióndimensional y el buen acabado superficial obtenidos. Por lo general, las fundicio-

40 4.6. Fundición en molde cerámico

nes pesan menos de 10 kilogramos, y típicamente están en el rango de 125–250gramos.

4.6. Fundición en molde cerámico

El proceso de fundición en molde cerámico es similar al proceso de moldede yeso, con la excepción de que utiliza materiales refractarios para el moldeadecuados para aplicaciones de altas temperaturas. El barro es una mezcla decirconio de grano fino (ZrSiO4), óxido de aluminio y sílice fundido, que semezclan con agentes aglutinantes y se vacían sobre el modelo, que ha sido coladoen una caja de moldeo.

El modelo puede estar hecho de madera o de metal. Después del endure-cimiento, los moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, se queman paraeliminar toda materia volátil y se hornean. En el proceso Shaw, las caras decerámica son recubiertas de arcilla refractaria, para impartir resistencia al mol-de. Las caras se ensamblan después formando un molde completo, listo para suvaciado.

La resistencia a las altas temperaturas de los materiales refractarios mol-deados usados permite que estos moldes se utilicen en el colado de aleacionesferrosas y otras de alta temperatura de fusión, de aceros inoxidables y de acerospara herramienta. Las piezas fundidas tienen una buena precisión dimensionaly buen acabado superficial en una amplia variedad de tamaños y formas com-plejas, pero el proceso es algo costoso. Las piezas que típicamente se fabricanson impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados para trabajoen metal y moldes para la fabricación de componentes de plástico o de hule.

4.7. Fundición por revestimiento

En el proceso de fundición por revestimiento, también llamado a la ceraperdida, se utilizó por primera vez durante el período de 4000–3000 a.C. Elmodelo se hace en cera o en plástico —poliestireno, por ejemplo— utilizandotécnicas de moldeo o de prototipado rápido. Se fabrica el modelo inyectandocera o plástico fundidos en un dado de metal con la forma del modelo. Después,éste se sumerge en un barro de material refractario —como, por ejemplo, sílicefino con aglutinantes, incluyendo agua, silicato de etilo y ácidos—. Una vez secoeste recubrimiento inicial, el patrón se recubre varias veces a fin de incrementarsu espesor.

El término revestimiento proviene del hecho de que el modelo es revestidocon el material refractario. Los modelos de cera requieren de un manejo cui-dadoso, porque no son lo suficientemente resistentes para soportar las fuerzashabidas durante la manufactura del molde. Sin embargo, a diferencia de lospatrones de plástico, la cera puede ser recuperada y reutilizada.

El molde de una pieza se seca al aire y se calienta a una temperatura de


90–175◦C. Se deja en una posición invertida durante aproximadamente docehoras para fundir la cera. El molde se quema entonces a 650–1050◦ duranteaproximadamente cuatro horas, dependiendo del metal que se va a fundir, afin de eliminar el agua de cristalización —agua químicamente combinada— yquemar cualquier cera residual. Una vez vaciado y solidificado el metal, se rompeel molde y se retira la pieza fundida. Se puede unir un conjunto de patrones paraformar un molde, llamado árbol, incrementando de manera significativa la tasade producción.

Para piezas pequeñas, el árbol se puede insertar en una caja de moldeopermeable y llenar con un revestimiento de barro líquido; el revestimiento secoloca entonces en una cámara y se hace el vacío para eliminar las burbujasde aire, hasta que el molde se solidifica. Aunque la mano de obra y los me-tales involucrados hacen que el proceso de la cera perdida sea costoso, resultaadecuado para la fundición de aleaciones de alto punto de fusión con un buenacabado superficial y tolerancias dimensionales. Se requieren pocas (o ninguna)operación de acabado, que aumentarían de manera significativa el costo total dela pieza fundida.

Este proceso es capaz de producir formas relativamente complejas, con pie-zas que pesan entre el gramo y los 35 kilogramos, de una diversidad de metalesferrosos y no ferrosos y sus respectivas aleaciones. Las piezas típicas que se fabri-can son componentes para equipo de oficina, así como componentes mecánicoscomo engranajes, levas, válvulas y trinquetes.

Fundición por revestimiento en cáscara de cerámica Una variante del procesode fundición por revestimiento es la fundición en cáscara de cerámica. Éstautiliza el mismo tipo de modelo de cera o de plástico, que se introduce primeroen un gel de silicato de etilo y posteriormente en un lecho fluido de sílice fundidode grano fino o de polvo de circonio. El modelo se recubre después con un sílicede grano más grueso para acumular capas adicionales y un espesor adecuadopara que el modelo pueda soportar el choque térmico del vaciado. El resto delprocedimiento es similar al de una fundición por revestimiento. Este proceso eseconómico y se utiliza ampliamente para la fundición de precisión de aceros yaleaciones de alta temperatura.

4.8. Fundición al vacío

En el proceso de fundición al vacío o proceso de baja presión contra lagravedad, se moldea una mezcla de arena fina y de uretano sobre dados demetal, que se cura con vapores de amina. El molde es sujeto después con unbrazo robótico y se sumerge parcialmente en metal fundido que se encuentra enun horno de inducción.

El metal se puede fundir al aire o en vacío. El vacío reduce la presión delaire en el interior del molde a aproximadamente dos terceras partes de la presiónatmosférica, succionando por tanto el metal fundido en las cavidades del moldea través de un canal de alimentación en la parte inferior del molde. El metal

42 4.9. Fundición en molde permanente

fundido en el horno está a una temperatura, por lo general, de 55◦ por encima dela temperatura líquidus ; en consecuencia, empieza a solidificarse en una fracciónde segundo. Una vez lleno el molde, se retira del metal fundido.

Este método es parcialmente adecuado para formas complejas con pared del-gada. Las piezas fundidas al aire se fabrican fácilmente en volúmenes elevados ya un coste relativamente bajo. Las piezas fundidas en vacío implican habitual-mente el uso de metales reactivos —aluminio, titanio, circonio, hafnio—. Estaspiezas, que a menudo se encuentran en forma de superaleaciones para turbinasde gas, pueden tener paredes de un espesor de hasta 0,5 mm. El proceso puedeautomatizarse y los costos de producción son similares a los de la fundición enarena verde.

4.9. Fundición en molde permanente

En el proceso de fundición en molde permanente, también conocido comofundición en molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales comoel hierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario.La cavidad del molde y el sistema de canales de alimentación se maquinan enel molde y por tanto forman parte integral del miso. Para producir piezas concavidades internas, se colocan corazones hechos de metal o de agregados dearena en el molde antes de la fundición.

Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite ocon resina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el aceropara dado de trabajo en caliente. El de uso más común es el de hierro gris.

A fin de incrementar la vida de los moldes permanentes, las superficies dela cavidad del molde, por lo general, están recubiertas con un barro refractario(como silicato de sodio y arcilla) o se rocían con grafito cada cierto número decoladas. Estos recubrimientos también sirven como agentes de separación y comobarreras térmicas, controlando la velocidad de enfriamiento de la fundición.Pueden ser necesarios eyectores mecánicos para la extracción de piezas fundidascomplejas.

Los moldes se sujetan juntos por medios mecánicos y se calientan a aproxi-madamente 150–200◦C para facilitar el flujo de metal y reducir el daño térmicoa los dados debido a gradientes de temperatura elevados. El metal fundido sevacía entonces a través de canales de alimentación. Después de la solidificación,se abren los moldes y se extrae la pieza colada.

Aunque la operación de fundición en molde permanente se puede llevara cabo manualmente, el proceso se puede automatizar para grandes lotes deproducción. Este proceso se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio,magnesio, cobre y hierro gris, debido a sus puntos de fusión por lo generalinferiores.

Este proceso produce, a tasas elevadas e producción, fundiciones con unbuen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales y propiedades me-cánicas uniformes y buenas. Piezas típicas que se fabrican incluyen los pistones


automotrices, las cabezas de cilindro, las bielas, los discos en bruto para engra-najes de enseres domésticos y los utensilios de cocina. Las piezas que se puedenfabricar económicamente, en general, pesan menos de 25 kg.

A pesar de que los costos por equipo puedan ser altos debido a los costosde los dados, los costos de mano de obra pueden mantenerse reducidos auto-matizando el proceso. La fundición en molde permanente no es económica parapequeños lotes de producción, y debido a la dificultad de extraer la fundicióndel molde, no es posible fundir formas complejas utilizando este proceso. Sinembargo, se pueden utilizar corazones de arena fácilmente colapsables y extraí-bles de las fundiciones para dejar cavidades internas complejas. El proceso seconoce entonces como fundición en molde semipermanente.

4.10. Fundición en cáscara o hueco

En una pieza fundida se desarrolla en primer término una película solidifica-da; posteriormente, esa película se va haciendo más gruesa. Se pueden fabricarpiezas fundidas huecas con paredes delgadas mediante la fundición en moldepermanente utilizando este principio, un proceso conocido como fundición encáscara. Una vez obtenido el espesor deseado de película solidificada, se invierteel molde y el metal líquido restante se extrae. Se abren las mitades del molde yse retira la pieza fundida.

Esta clase de fundición es adecuada para pequeñas series de produccióny en general se utiliza para la elaboración de objetos ornamentales y juguetespartiendo de metales con bajo punto de fisión, tales como aleaciones de zinc,estaño y plomo.

4.11. Fundición a presión

En los dos procesos de molde permanente arriba descritos, el metal fundidofluye hacia el interior de la cavidad del molde por gravedad. En el proceso defundición a presión, también llamado fundición por vaciado a presión o de bajapresión, el metal fundido es obligado a fluir hacia arriba por presión de gas enun molde de grafito o de metal. La presión se mantiene hasta que el metal sehaya solidificado totalmente dentro del molde.

La fundición a presión, por lo general, se utiliza para fundiciones de altacalidad, como por ejemplo ruedas de acero para carros de ferrocarril.

4.12. Fundición por inyección en matriz o dados

El proceso de inyección en matriz o dados, desarrollado a principios de ladécada de 1900, es un ejemplo adicional de la fundición en molde permanente.

44 4.12. Fundición por inyección en matriz o dados

El metal fundido es forzado dentro de la cavidad de la matriz o dado a presionesque van de 0,7 a 700 MPa.

Las piezas típicas que se fabrican mediante la inyección en matriz son com-ponentes para motores, máquinas para oficina y enseres domésticos, herramien-tas de mano y juguetes. El peso de la mayor parte de las piezas fundidas vadesde menos de 90 gramos a aproximadamente 25 kilogramos.

4.12.1. Proceso de cámara caliente

El proceso de cámara caliente involucra el uso de un pistón, que atrapaun cierto volumen de metal fundido y lo obliga a pasar a la cavidad de lamatriz de vaciado a través de un cuello de cisne y una tobera. Las presiones deinyección son de hasta 35 MPa, con un promedio de aproximadamente 15 MPa.El metal se mantiene a presión hasta que solidifica en matriz de vaciado. Éstas,habitualmente, se enfrían mediante agua o aceite.

Los tiempos del ciclo van desde doscientas a trescientas inyecciones (in-dividuales) por hora para el cinc, aunque componentes muy pequeños comolos dientes de cierres de cremallera se pueden fundir a una velocidad de 18000inyecciones por hora.

4.12.2. Proceso de cámara fría

En el proceso de cámara fría, el metal fundido se vacía en el cilindro deinyección (cámara de inyección). La cámara de inyección no es calentada: deahí el término de cámara fría. El metal fundido es forzado en la cavidad de lamatriz de vaciado a presiones en un rango entre 20 y 70 MPa, aunque puedenser de hasta 150 MPa.

Las aleaciones de alto punto de fusión —como las de aluminio, magnesio ycobre— normalmente se funden utilizando este método, aunque también otrosmetales se pueden colar de esta manera. Las temperaturas del metal fundido vandesde los 600◦C para el aluminio y ciertas aleaciones de magnesio, y aumentande manera considerable para aleaciones de cobre y hierro.

4.12.3. Capacidades del proceso y selección de máquinas

Debido a las altas presiones involucradas, las matrices tienen tendencia aabrirse a menos que estén firmemente sujetas. Las máquinas de inyección enmatriz se clasifican según la fuerza de apriete que se puede ejercer para mantenerlos troqueles cerrados. La capacidad de las máquinas actualmente disponiblesestán en el rango entre 25 y 3000 toneladas.

Las matrices y dados a presión pueden ser de una sola cavidad, de múltiplescavidades (con varias cavidades idénticas), de cavidades combinadas (con variascavidades diferentes) o dados unitarios (pequeños dados simples que se puedencombinar en una o más unidades en un dado maestro de sujeción). Típicamente,


la relación entre el peso del dado y el peso de la pieza es de mil a uno, por lo queel dado para una fundición que pese dos kilogramos debería ser de dos toneladas.

Por lo general, los dados están fabricados de aceros para dados para trabajoen caliente o aceros para molde. El desgaste del dado aumenta en función de latemperatura del metal fundido. Puede ser un problema el agrietamiento por elcalor de los dados y matrices (agrietamiento superficial por el enfriamiento ycalentamiento repetido del dado). Cuando se seleccionan y se mantienen correc-tamente los materiales para matrices, éstas pueden durar más de medio millónde inyecciones antes de que se presente cualquier desgaste significativo.

El diseño del dado incluye un ángulo de salida para permitir la extracciónde la pieza fundida. El distribuidor y los canales de alimentación pueden serretirados, ya sea manualmente o utilizando troqueles de corte en una prensa,permitiendo un grado importante de automatización. A menudo, se aplican lu-bricantes (agentes separadores) como finos recubrimientos en la superficie de losdados y matrices de colada. Se trata usualmente de lubricantes de base aguacon grafito u otros compuestos en suspensión. Dada la elevada capacidad deenfriamiento del agua, estos fluidos también resultan eficaces para mantener labaja temperatura de los dados.

La inyección en matriz tiene la capacidad de producción rápida de piezas re-sistentes de alta calidad con formas complejas. También imparte buena precisióndimensional y buenos detalles superficiales, de manera que las piezas requierende poco o ningún maquinado u operaciones de terminado subsiguientes (for-mado de forma final). Se pueden obtener paredes de un espesor de hasta 0,38mm, más delgadas que las que se obtienen utilizando otros métodos de fundi-ción. Quedan marcas de los eyectores, igual que pequeñas cantidades de rebaba—material delgado que ha sido extruido de entre los troqueles— en la línea departición del dado.

Dado que el metal fundido se enfría rápidamente en las paredes de la matrizde colado, la pieza fundida tiene una película dura de grano fino con mayor re-sistencia. En consecuencia, la relación resistencia a peso de las piezas inyectadasen matriz aumenta al reducirse el espesor de las paredes.

Hay algunas piezas que se pueden inyectar en matriz de manera integral,un proceso conocido como moldeado con inserto. Para una buena resistencia enla interfase, los insertos pueden estar moldeados, ranurados o estirados. Parala selección de los materiales de los insertos, debe tomarse en consideración laposibilidad de corrosión galvánica. Para prevenirla, el inserto puede aislarse,revestirse o tratarse superficialmente.

Los costos del equipo, particularmente el costo de las matrices de inyección,es algo elevado, pero los costos por mano de obra generalmente son bajos, dadoque el proceso está parcial o totalmente automatizado. Se trata de un procesoadecuado para grandes series de producción.

4.13. Fundición centrífuga

La fundición centrífuga utiliza la fuerza de inercia causada por la rotaciónpara distribuir el metal fundido en las cavidades del molde. El método comenzó

46 4.14. Fundición por dado impresor y formado de metal semisólido

a usarse a principios del siglo xix. Existen varios tipos de fundición centrífuga:

– Fundición centrífuga verdadera. Se producen piezas cilíndricas según unproceso en el que el metal fundido es vaciado en un molde rotativo. Eleje de rotación es, por lo general, horizontal, pero puede ser vertical parapiezas cortas. Los moldes están hechos de acero, hierro o grafito, y puedenestar recubiertos con una capa refractaria para incrementar la vida delmolde.

Las superficies del molde se pueden modificar de tal manera que se puedanfundir tuberías con formas exteriores diversas, incluyendo piezas cuadradasy poligonales. La superficie interna de la colada se conserva cilíndrica,porque el metal fundido es distribuido de manera uniforme por las fuerzascentrífugas. Debido a diferencias en la densidad, los elementos más ligeros,como escoria, impurezas y partes del revestimiento refractario, tienden aacumularse en la superficie interna de la pieza fundida.

Con este método, pueden fundirse piezas de entre 13 mm y 3 m de diáme-tro y 16 m de largo, con espesores de pared que van desde 6 a 125 mm. Lapresión generada por la fuerza centrífuga es elevada, y esta elevada presiónes necesaria para la fundición de piezas de pared gruesa. Mediante este mé-todo, se obtienen piezas fundidas de buena calidad, precisión dimensionaly buen detalle superficial. Además de tubos, piezas típicas fabricadas coneste método son bujes, camisas de cilindro de motor y anillos de cojinete.

– Fundición semicentrífuga. Se emplea para colar piezas con simetría rota-cional, como por ejemplo una rueda con sus radios.

– Centrifugado. Las cavidades del molde de cualquier forma se colocan auna cierta distancia del eje de rotación. El metal fundido se vacía por elcentro y es obligado a pasar al molde debido a la fuerza centrífuga. Laspropiedades de las piezas fundidas varían en función de la distancia deleje de rotación.

4.14. Fundición por dado impresor y formado demetal semisólido

4.14.1. Fundición por dado impresor

El proceso de fundición por dado impresor, también llamado forja de metallíquido, fue desarrollado en la década de los sesenta y se basa en la solidificacióndel metal fundido a alta presión. La maquinaria incluye un dado o matriz, unpunzón y un buje eyector. La presión aplicada por el punzón mantiene los gasesatrapados en solución y el contacto a alta presión en la interfaz entre el dadoy el metal promueve una rápida transferencia de calor, resultando en una finamicroestructura con buenas propiedades mecánicas.

La aplicación de presión también resuelve problemas de alimentación quese pueden presentar al fundir metales con un rango de solidificación grande. Las


presiones que se requieren en la fundición por dado impresor son inferiores a laforja en caliente o en frío correspondientes.

Las piezas se pueden fabricar a una forma casi final, con formas complejasy un fino detalle superficial, tanto de aleaciones ferrosas como no ferrosas. Seobtienen, mayoritariamente, componentes automotrices.

4.14.2. Formado de metal semisólido

El conformado de metal semisólido fue desarrollado en la década de lossetenta. El metal o aleación posee una estructura de grano fino no dendrítica, casiesférica, al entrar a la matriz o molde. La aleación exhibe un comportamientotixotrópico, i.e, su viscosidad se reduce al ser agitado.

Este comportamiento se ha utilizado en el desarrollo de tecnologías quecombinan la fundición y el forjado de piezas, utilizando lingotes de fundiciónque se forjan cuando están líquidos en un treinta o un cuarenta por ciento. Latecnología del formado de metales semisólidos ya estaba en producción comercialen 1981 y también es utilizada en la fabricación de composites colados de matrizmetálica.

Otra técnica para el formado en estado semisólido es la reofundición, en lacual se produce un «barro» en un mezclador, que luego se vacía en el molde otroquel. Este proceso, sin embargo, aún no ha tenido éxito comercial.

4.15. Técnicas de colado para componentes mo-nocristalinos

Aquí se describirán las técnicas utilizadas para colar componentes mono-cristalinos tales como las aspas de los álabes de una turbina, piezas que, por logeneral, están hechas de superaleaciones a base de níquel y que se utilizan enlas etapas de alta temperatura del motor.

– Fundición convencional de álabes de turbina. El proceso de fundición con-vencional utiliza un molde de cerámica. El metal fundido se vacía en elmolde y se empieza a solidificar a partir de las paredes de cerámica. Lapresencia de fronteras de grano hace que esta estructura sea susceptiblea la termofluencia y al agrietamiento a lo largo de las fronteras de granobajo las fuerzas centrífugas y las elevadas temperaturas que comúnmenteexisten en una turbina de gas en operación.

– Álabes solidificados direccionalmente. En el proceso de solidificación direc-cional, que se desarrolló por primera vez en 1960, el molde de cerámica esprecalentado utilizando calor radiante. El molde es soportado por una pla-ca de enfriamiento enfriada por agua. Después de haber vaciado el metalen el molde, todo el conjunto es bajado lentamente. Los cristales empie-zan a crecer en la superficie de la placa de enfriamiento y hacia arriba.

48 4.16. Solidificación rápida (aleaciones amorfas)

El álabe se solidifica por tanto direccionalmente, con fronteras de granolongitudinales pero ninguna transversal. En consecuencia, el aspa es másresistente en la dirección de las fuerzas centrífugas desarrolladas por laturbina de gas.

– Álabes monocristalinos. En el crecimiento de cristales, desarrollado en1967, el molde tiene un estrangulamiento en la forma de un tirabuzóno hélice, cuya sección transversal es tan reducida que solamente permiteque pase un cristal. El mecanismo de crecimiento de cristales es tal quesolamente los cristales orientados más favorablemente pueden crecer a tra-vés de la hélice, ya que todos los demás son interceptados por las paredesdel pasaje helicoidal.

Conforme el conjunto es bajado lentamente, un monocristal crece haciaarriba a través del estrangulamiento y empieza a crecer en el molde. Esnecesario un control estricto de la rapidez del movimiento. A pesar de queestos álabes son más costosos que otros tipos, la carencia de fronteras degrano los hace resistentes a la termofluencia y al choque térmico, por loque tienen una vida de servicio más larga y más confiable.

– Crecimiento de monocristales. Con el advenimiento de la industria de lossemiconductores, el crecimiento de monocristales se ha convertido en unaactividad importante en la manufactura de dispositivos microelectrónicos.

Existen dos métodos básicos de crecimiento de cristales. En el métodode extracción de cristal, también conocido como proceso Czochraklski,un cristal semilla se sumerge en el metal fundido y después es extraídolentamente mientras se le hace girar. El metal líquido empieza a solidificarsobre el cristal semilla, y la estructura cristalina del cristal se preservaen el material producto del crecimiento. Pueden agregarse dopantes almetal líquido para impartir propiedades eléctricas especiales. Medianteeste proceso, pueden producirse monocristales de silicio, germanio y otroselementos, generando lingotes monocristalinos de una longitud típica entre50 y 150 mm.

En el método de zona flotante, por otro lado, se parte de una barra desilicio policristalino que descansa sobre un cristal individual; una bobinade inducción calienta estas dos piezas mientas se mueve lentamente haciaarriba. El monocristal crece hacia arriba conservando su orientación cris-talográfica. Después se cortan delgadas obleas de la barra, se limpian y sepulen para su uso en la fabricación de dispositivos microelectrónicos.

4.16. Solidificación rápida (aleaciones amorfas)

La técnica para la fabricación de las aleaciones amorfas o vidrios metálicos,llamada solidificación rápida, consiste en el enfriamiento del metal fundido avelocidades muy elevadas, del orden de 106 K/s, de manera que aquél no tienetiempo suficiente para cristalizar. La solidificación rápida da como resultado,entre otros efectos, una ampliación significativa de la solubilidad sólida, el refinodel grano y una reducida microsegregación.


4.17. Inspección de las fundiciones

Los defectos subsuperficiales e internos se investigan utilizando varias téc-nicas no destructivas. En las pruebas destructivas, se extraen especímenes deprueba de varias secciones de una pieza fundida para ensayar su resistencia,ductilidad y otras propiedades mecánicas, y para determinar la presencia y lo-calización de porosidad y otros defectos.

La caída de presión o hermeticidad de componentes fundidos (válvulas,bombas y tuberías) se determina, por lo general, sellando las aperturas de lapieza fundida y presurizando con agua, aceite o aire. Para requerimientos deextrema hermeticidad a fugas, se utilizan helio presurizado o gases especialmentearomatizados como detectores. Después la pieza fundida es inspeccionada enbusca de fugas mientras se mantiene la presión. Las fundiciones no aceptableso defectuosas se vuelven a fundir para su reprocesamiento.

4.18. Prácticas y hornos de fusión

Los hornos e cargan con material de fusión consistente en metal, elementosde aleación y otros materiales tales como el fundente y formadores de escoriaso escorificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metalfundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas.

Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejem-plo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura —para formaruna barrera contra la oxidación—, fundentes de limpieza, fundentes de escoria,fundentes de refino y fundentes para la limpieza de la pared, debido al efectoperjudicial que algunos fundentes tienen en los revestimientos del horno, par-ticularmente en los hornos de inducción. Los fundentes pueden ser añadidosmanualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido.

Los fundentes para el aluminio consisten típicamente en cloruros, fluoru-ros y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio. Un fundentetípico para el magnesio consiste en una composición de cloruro de magnesio,cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones decobre, existen fundentes oxidantes —que incluyen el óxido cúprico o el bióxi-do de manganeso—, los fundentes de cobertura neutra —bórax, ácido bórico ovidrio—, fundentes reductores —grafito o carbón vegetal—, fundentes de refi-no y fundentes para el molde para fundiciones semicontinuas —para evitar laoxidación y mejorar la lubricación—.

Para las aleaciones de cinc, como las que se utilizan en la inyección enmatriz, los fundentes típicos consisten en cloruros de cinc, de potasio y de sodio.Los fundentes para el hierro fundido consisten típicamente en carbonato de sodioy fluoruro de calcio.

Para proteger la superficie del metal fundido contra la reacción y contamina-ción atmosférica, y para refinar el metal fundido, éste debe estar aislado contra

50 4.18. Prácticas y hornos de fusión

pérdidas térmicas. Por lo general, se provee aislamiento cubriendo la superfi-cie o mezclando el metal fundido con compuestos que forman una escoria. Enaceros fundidos, la composición de la escoria incluye CaO , SiO 2, MnOy FeO .Por lo general, se extrae una pequeña cantidad de metal líquido y se analiza sucomposición. Entonces se efectúan las adiciones e inoculaciones necesarias antesde vaciar el metal en los moldes.

La carga del metal puede estar compuesta de metales primarios comercial-mente puros, que son chatarra refundida. También se pueden incluir en la cargafundiciones rechazadas, sistemas de alimentación y mazarotas. Si los puntos defusión de los elementos de aleación son lo suficientemente bajos, se agregan ele-mentos de aleación puros para obtener la composición deseada de la fundición.

Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son demasiado elevados,no se mezclarán con facilidad con los metales de bajo punto de fusión. En estecaso, a menudo se utilizan aleaciones maestras o endurecedores. Por lo general,éstas están formados por aleaciones de menor punto de fusión con altas concen-traciones de uno o dos de los elementos de aleación necesarios. No deben existirgrandes diferencias en los pesos específicos de las aleaciones maestras, a fin deno causar segregación en la fundición.

Hornos de fusión Se tienen los siguientes tipos de hornos de fusión:

– Los hornos de arco eléctrico se utilizan ampliamente en las fundidoras ytienen ventajas tales como una elevada rapidez de fusión, mucha menoscontaminación que otros tipos de hornos, y la capacidad de conservar elmetal fundido para efectos de aleación.

– Los hornos de inducción son especialmente útiles en fundidoras más pe-queñas y producen también fusiones más pequeñas de composición con-trolada. El horno de inducción sin núcleo consiste en un crisol totalmenterodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasala corriente de alta frecuencia. Dado que se presenta una fuerte acción deagitación electromagnética durante el calentamiento por inducción, estetipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones ypara agregar nuevas cargas de metal.

El horno de núcleo o de canal utiliza baja frecuencia y tiene una bobinaque sólo rodea una pequeña porción de la unidad. Se utiliza comúnmenteen fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalen-tar (calentamiento por encima de la temperatura normal de fundición paramejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicacio-nes de fundición por inyección en matriz) y duplexado (uso de dos hornospara, por ejemplo, fundir el metal en un horno y transferirlo al otro).

– Los hornos de crisol, que se han utilizado ampliamente en el pasado, se ca-lientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleocombustible y combustible fósil, así como la electricidad.

– Los cubilotes son recipientes de acero verticales recubiertos de refractariocargados con capas alternadas de metal, coque y fundente. Están siendo


reemplazados por los hornos de inducción, aunque poseen varias venta-jas: operan de manera continua, tienen elevadas velocidades de fusión yproducen grandes cantidades de metal fundido.

– Fusión por levitación. Este proceso consiste en la suspensión magnéticadel metal fundido. Una bobina de inducción calienta de manera simul-tánea una palanquilla sólida y agita y confina lo fundido, eliminando lanecesidad de un crisol que podría resultar una fuente de contaminacióncon inclusiones de óxidos. El metal fundido fluye hacia abajo en un moldede fundición por revestimiento que se coloca directamente por debajo dela bobina. Las fundiciones hechas utilizando este método están libres deinclusiones (debido a los refractarios) y de porosidad por gas, y tienen unaestructura de grano fino uniforme.

La selección del horno depende de varios factores : las consideraciones econó-micas, la composición y el punto de fusión de la aleación a fundir, el controlde la atmósfera del horno, la capacidad y la rapidez de fusión requeridas, lasconsideraciones de tipo ecológico, el suministro de energía y su disponibilidad,la facilidad de sobrecalentamiento del metal y, finalmente, el tipo de materialde carga que es posible utilizar.

Tema 5

Conformación por moldeo

III

5.1. Consideraciones de diseño

Los principios de diseño han sido establecidos principalmente debido a laexperiencia práctica, pero ahora se están poniendo cada vez en mayor uso nuevosmétodos analíticos, modelado de procesos y técnicas de diseño y manufacturaasistidos por computadora.

5.1.1. Diseño para la fundición en molde desechable

Esquinas, ángulos y espesor de la sección Deben evitarse las esquinas agudas,los ángulos y los biseles, porque actúan como elevadores de esfuerzos y puedencausar el agrietamiento del metal y de las matrices durante la solidificación.Los radios de los biseles deben seleccionarse para reducir las concentracionesde esfuerzos y asegurar un flujo adecuado de metal líquido durante el procesode vaciado. Habitualmente, los radios de los biseles se hacen en un rango deentre 3 y 25 mm, aunque puede permitirse un radio menor en piezas pequeñasy en aplicaciones limitadas. Por otra parte, si el radio de los biseles es demasia-do grande, el volumen de material en esas regiones también será grande y, enconsecuencia, la tasa de enfriamiento será menor.

Los cambios de sección en las piezas fundidas deberán ser suaves y progre-sivamente pasar de uno a otro diámetros. La localización del círculo mayor quese pueda inscribir en una región en particular es crítica por lo que se refiere a lageneración de cavidades por contracción. Dado que la velocidad de enfriamientoen las regiones con círculos grandes es menor, se conocen como puntos calientes.Estas regiones podrían desarrollar cavidades de contracción y porosidad. Paraeliminar o reducir puntos calientes, pueden emplearse bloques de metal (enfria-dores) en el molde, aunque incrementan el coste de producción. Estos bloquesactúan como enfriadores externos.

54 5.1. Consideraciones de diseño

Áreas planas Deben evitarse las áreas planas grandes (superficies simples), yaque se pueden torcer durante el enfriamiento debido a gradientes de tempera-tura, o formarse un mal acabado superficial, debido a un flujo no uniforme demetal durante el vaciado.

Contracción A fin de evitar el agrietamiento de la pieza fundida, deberánexistir tolerancias de contracción durante la solidificación. En piezas fundidascon costillas de refuerzo que se cruzan, se puede reducir el esfuerzo a la tensiónalternando las costillas o modificando la geometría de intercepción.

Las dimensiones del modelo también deben prever la contracción durantela solidificación y el enfriamiento. Las holguras por contracción, también cono-cidas como tolerancias de contracción del fabricante del modelo, se encuentranhabitualmente en el rango de entre 10 y 20 mm por metro.

Línea de partición La línea de partición es aquella línea o plano que separalas mitades superior e inferior de los moldes. En general, es deseable que la líneade partición quede a lo largo de un plano único, en lugar de seguir un contorno.Siempre que sea posible, la línea de partición debe estar en las esquinas o bordesde las fundiciones, más bien que en superficies planas a la mitad de la fundición,de manera que las rebabas en la línea de partición no resulten tan visibles.

La localización de la línea de partición es importante, ya que influenciael diseño del molde, la facilidad del moldeado, el número y la forma de loscorazones, el método de soporte y el sistema de canales de alimentación.

Ángulo de salida En los modelos para moldes de arena, se incluye un pequeñoángulo de salida para facilitar la extracción del modelo sin dañar el molde.Dependiendo de la calidad del modelo, los ángulos de salida, por lo general,varían entre 0,5◦ y 2◦. Los ángulos en las superficies interiores típicamente son dedos veces este valor. Tienen que ser mayores que los de las superficies exterioresporque la fundición se contrae hacia dentro en la dirección del corazón.

Tolerancias dimensionales Las tolerancias dimensionales dependen del pro-ceso de fundición en particular, del tamaño de la fundición y del tipo de modelousado. Las tolerancias son las más cerradas dentro de una región del molde,pero, dado que son acumulativas, aumentan entre diferentes regiones del molde.Deben ser tan amplias como sea posible, dentro de los límites de un buen de-sempeño de la pieza; de lo contrario, aumenta el coste de la pieza fundida. Enla práctica comercial, las tolerancias se presentan habitualmente en un rangode ±0,8 mm para fundiciones y aumentan con el tamaño de las mismas. Porejemplo, las tolerancias para fundiciones grandes pueden ser de ±6 mm.

Holgura de maquinado En previsión de la necesidad de algunas operacionesadicionales de acabado —como, por ejemplo, el maquinado—, deben preverseholguras en el diseño de la fundición para estas operaciones. Las holguras de

5. Conformación por moldeo III 55

maquinado, que se incluyen en las dimensiones del modelo, dependen del tipo defundición y aumentan con el tamaño y el espesor de la sección de las fundiciones.Por lo general, van desde aproximadamente 2 a 5 mm para fundiciones pequeñas,hasta más de 25 mm para fundiciones grandes.

Esfuerzos realizados Las diferentes velocidades de enfriamiento dentro delcuerpo de una fundición generan esfuerzos residuales. Por tanto, puede resul-tar necesaria la eliminación de estos esfuerzos, a fin de evitar distorsiones enaplicaciones críticas.

5.2. Aleaciones para las fundiciones

5.2.1. Aleaciones para fundición no ferrosa

Las aleaciones no ferrosas comúnmente coladas son las que siguen:

– Aleaciones de base aluminio. Poseen una amplia gama de propiedades me-cánicas, debido principalmente a los varios mecanismos de endurecimientoy de tratamiento térmico que se les puede aplicar. Su fluidez depende delos elementos de aleación y de los óxidos del metal. Estas aleaciones tienenuna elevada conductividad eléctrica y, en general, una buena resistenciaa la corrosión atmosférica. Sin embargo, su resistencia a algunos ácidos ya todas las bases es escasa, y debe tenerse cuidado de evitar la corrosióngalvánica. No son tóxicos, son ligeros y poseen una buena maquinabilidad.En general, a excepción de las aleaciones con silicio, poseen, sin embar-go, baja resistencia al desgaste y a la abrasión. Las piezas fabricadas conaleaciones de base aluminio y base magnesio se conocen como fundicionesde metal ligero.

– Aleaciones de base magnesio. La densidad más baja de todas las aleacionespara fundición comerciales son las del grupo base magnesio. Tienen unabuena resistencia a la corrosión y una resistencia moderada, dependiendodel tratamiento térmico particular realizado.

– Aleaciones de base cobre. Son algo costosas, pero poseen la ventaja deuna buena conductividad eléctrica y térmica, junto con una elevada re-sistencia a la corrosión; además, no son tóxicas y poseen propiedades dedesgaste adecuadas para materiales de apoyo. Las propiedades mecánicasy la fluidez se ven influenciadas por los elementos de aleación.

– Aleaciones de base zinc. Estas aleaciones poseen una buena fluidez y sufi-ciente resistencia para aplicaciones estructurales.

– Aleaciones de alta temperatura. Poseen una amplia gama de propiedades yhabitualmente requieren de temperaturas de hasta 1650◦C para fundicio-nes de titanio y superaleaciones, y superiores para aleaciones refractarias.

56 5.2. Aleaciones para las fundiciones

5.2.2. Aleaciones para fundición ferrosa

Hierros colados El hierro colado posee varias propiedades deseables, tales co-mo resistencia al desgaste, dureza y buena maquinabilidad. En realidad, el tér-mino «hierro colado» se refiere a una familia de aleaciones:

– Hierro colado gris. Estas fundiciones poseen relativamente pocas cavidadespor contracción y poca porosidad. Se identifican varias formas de hierrocolado gris como ferrítico, perlítico y martensítico. Los usos típicos delhierro colado gris se encuentran en los motores, las bases de máquinas, lascarcasas de los motores eléctricos, las tuberías y las superficies de desgastede las máquinas. Los hierros colados grises se especifican mediante unadesignación astm de dos dígitos. La clase 20, por ejemplo, especifica queel material debe tener una resistencia a la tensión mínima de 20 kpsi.

– Hierro dúctil (nodular). Típicamente utilizado para piezas de maquina-ria, tuberías y cigüeñales, los hierros dúctiles se especifican mediante unacombinación de tres dígitos. Por ejemplo, la clase o grado 80-55-06 indicaque el material tiene una resistencia a la tensión mínima de 80 kpsi, unaresistencia a la fluencia mínima de 55 kpsi y un 6 por ciento de elongaciónen dos pulgadas.

– Hierro colado blanco. Debido a su extrema dureza y su resistencia al des-gaste, el hierro colado blanco se utiliza principalmente en partes de ma-quinaria para el procesado de materiales abrasivos, rodillos para trenes delaminación y zapatas de frenos para carros de ferrocarril.

– Hierro maleable. Se emplea principalmente en equipo para ferrocarril yen varios tipos de herrajes. Se especifican mediante una combinación decinco dígitos. Por ejemplo, 35018 indica que la resistencia a la fluenciadel material es de 35 kpsi y que su elongación es de 18 por ciento en dospulgadas.

– Hierro al grafito compactado. Producido por primera vez en 1976, el hierroal grafito compactado (cgi) posee propiedades situadas a medio caminoentre las de los hierros grises y dúctiles. El hierro gris posee una buena con-ductividad térmica y una buena capacidad de amortiguamiento, pero unabaja ductilidad, en tanto que el hierro dúctil tiene una escasa capacidadde amortiguamiento y conductividad térmica pero una elevada resistenciaa la tensión y a la fatiga.

El hierro al grafito compactado posee propiedades de amortiguamiento ytérmicas similares a las del hierro gris y una resistencia y rigidez compa-rables a las del hierro dúctil. Debido a su resistencia, las piezas coladashechas de cgi pueden ser más ligeras. Es fácil de colar, posee propiedadesuniformes en todo el colado, y su maquinabilidad es mejor que la del hierrodúctil, lo que es una consideración de importancia, ya que se utiliza paramotores automotrices y cabezas de cilindro.

Aceros colados Las fundiciones de acero poseen propiedades que son más uni-formes (isotrópicas) que los conseguidos mediante procesos de trabajo mecánico.

5. Conformación por moldeo III 57

Los aceros colados se pueden soldar; sin embargo, la soldadura altera la microes-tructura del colado en la zona afectada por el calor, influenciando la resistencia,la ductilidad y la tenacidad del metal base. Posteriormente a la soldadura, portanto, debe efectuarse un tratamiento térmico, a fin de restablecer las propie-dades mecánicas del colado.

Aceros inoxidables colados Los aceros inoxidables, por lo general, poseen ex-tensos rangos de solidificación y elevadas temperaturas de fusión. Estos pro-ductos tienen una elevada resistencia al calor y a la corrosión. Las aleacionespara fundición a base de níquel se emplean para entornos muy corrosivos y enservicios de muy altas temperaturas.

Tema 6

Conformación por

deformación plástica I

El laminado es el proceso de reducir el espesor —o modificar la seccióntransversal— de una pieza larga mediante fuerzas de compresión aplicadas através de un juego de rodillos. La laminación, que representa aproximadamen-te el noventa por ciento de todos los metales producidos usando procesos demetalurgia, fue desarrollada por primera vez a comienzos del siglo xvi.

Las placas, que en general se consideran como de un espesor superior a6 mm, se utilizan para aplicaciones estructurales, tales como estructuras demaquinaria, cascos de buques, calderas, puentes y recipientes nucleares. Lasplacas pueden llegar a tener hasta un espesor de 0,3 m para los apoyos de lasgrandes calderas, 150 mm de espesor para los recipientes de reactores y 100–125mm para los buques y los tanques de guerra.

Las hojas poseen habitualmente menos de 6 mm de espesor; se fabricanpara manufacturar materias primas intermedias como piezas planas o comocinta en rollos para procesamiento posterior en varios productos. Se utilizanen las carrocerías de automóvil y fuselajes de avión, en enseres domésticos, enrecipientes para alimentos y bebidas y en equipos para cocinas y oficinas.

Los fuselajes de las aeronaves comerciales se fabrican habitualmente conuna hoja de aleación de aluminio de un mínimo de 1 mm de espesor. Las latasde refrescos de aluminio se fabrican ahora con hojas de 0,28 mm de espesor, quese reduce a una pared final de la lata de 0,1 mm. El papel de aluminio, por suparte, posee un espesor de 0,008 mm.

Tradicionalmente, la forma inicial del material para laminación ha venidosiendo un lingote. Actualmente, esta práctica está siendo rápidamente reempla-zada por la colada y laminación continuas, con una eficiencia mucho más elevaday a un costo inferior.

60 6.1. Laminado plano

6.1. Laminado plano

En el proceso de laminado plano, una tira de espesor h0 entra en el espaciode laminación, donde un par de rodillos en rotación la reducen a un espesor hf ,cada uno de los rodillos movido por motores eléctricos. La velocidad superficialde los rodillos es vr. La velocidad de la tira se incrementa de su valor de entradav0 a través del espacio de laminación, de manera que el fluido se ve obligado amoverse más rápido al pasar por un canal convergente.

La velocidad de la tira es máxima a la salida del espacio de laminación; laidentificamos como vf . Dado que la velocidad superficial del rodillo es constante,existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y la tira a lo largo del arco decontacto en el espacio de laminación, L.

En un punto a lo largo del tramo de contacto, conocido como el puntoneutro o punto de no deslizamiento, la velocidad de la tira es la misma que ladel rodillo. A la izquierda de este punto, el rodillo se mueve más rápido que latira; a la derecha del mismo, la tira se mueve con mayor velocidad que el rodillo.

6.1.1. Fuerzas de fricción

Los rodillos tiran del material hacia dentro del espacio de laminación através de una fuerza de fricción neta sobre el material. Aunque la fricción esnecesaria para la laminación de los materiales, se disipa energía para vencerla,por lo que incrementar la fricción significa aumentar los requerimientos de fuer-zas y de potencia. Además, una elevada fricción podría dañar la superficie delproducto laminado. Se tiene que llegar a un punto medio, uno que consiga bajoscoeficientes de fricción mediante el uso de lubricantes efectivos.

El tiro máximo posible, que se define como la diferencia entre los espesoresinicial y final (h0 −hf ), es una función del coeficiente de fricción, µ, y del radiodel rodillo, R:

h0 − hf = µ2R.

Por tanto, mientras más alta sea la fricción y mayor sea el radio del rodillo,mayor será el tiro máximo posible y la reducción de espesor.1

6.1.2. Fuerza del rodillo y requerimientos de potencia

Dado que los rodillos aplican presión sobre el material a fin de reducir suespesor, se necesita de una fuerza perpendicular al arco de contacto. Esta fuerzadel rodillo, F , se suele suponer perpendicular al plano de la tira en lugar deal ángulo de contacto. Se utiliza esta alineación porque el arco de contactoes, habitualmente, muy pequeño en comparación con el radio del rodillo, por

1Esta situación es similar al uso de llantas grandes y cubiertas ásperas en los tractoresagrícolas y en el equipo de movimiento de tierra, lo que permite a los vehículos moverse enterreno difícil sin derrapar.

6. Conformación por deformación plástica I 61

lo que podemos suponer sin un error significativo que la fuerza del rodillo esperpendicular.

La fuerza del rodillo en el laminado plano se puede estimar partiendo de lafórmula

F = LwYmed, (6.1)

donde L es la longitud de contacto entre rodillo y tira y Ymed es el esfuerzo pro-medio real de la tira en el espacio de laminación. La ecuación (6.1), idealmente,corresponde a una situación sin fricción. Mientras más elevado sea el coeficientede fricción entre los rodillos y la tira, mayor será la divergencia, y la fórmuladará como resultado una fuerza del rodillo menor que la fuerza real.

La potencia necesaria por rodillo se puede estimar suponiendo que la fuerzaF actúa a la mitad del arco de contacto. El par de torsión por rodillo es elproducto de F por L

2. Por tanto, la potencia por rodillo, en unidades si, es:

Potencia =2πFLN

60000kW,

donde F está en newton, L en metros y N es la velocidad del rodillo expresadaen revoluciones por minuto. Por su parte, en unidades inglesas, la potencia sepuede expresar de l forma:

Potencia =2πFLN

33000hp,

donde F está en libras y L en pies. L viene dada aproximadamente por laexpresión: L =

√

R(h0 − hf ).

Reducción de la fuerza de laminación Las fuerzas de laminación pueden cau-sar deflexión y aplastamiento de los rodillos; estos cambios afectarán de maneraadversa, a su vez, a la operación de laminado. También el tren de laminación,incluyendo la carcasa, cuñas y rodamientos, puede estirarse bajo la acción delas fuerzas de laminación, de tal forma que el espacio de laminación se abra demanera significativa. En consecuencia, los rodillos deben ajustarse más de cercade lo calculado, para compensar esta deflexión y para obtener el espesor finaldeseado.

Las fuerzas de laminado pueden reducirse mediante cualquiera de los pro-cedimientos siguientes: reduciendo la fricción; utilizando rodillos de diámetromenor, a fin de reducir el área de contacto; efectuando reducciones más peque-ñas por pasada, a fin de reducir el área de contacto, y laminando a temperaturaselevadas, a fin de reducir la resistencia del material.

Otro método efectivo de reducir las fuerzas de laminado es aplicar tensio-nes longitudinales a la tira durante la laminación. Como resultado, los esfuerzosde compresión requeridos para deformar plásticamente el material disminuyen.Dado que requieren elevadas fuerzas de laminación, estas tensiones son de impor-tancia particular en la laminación de metales de alta resistencia. Las tensionespueden ser aplicadas a la tira, ya sea en la zona de entrada (tensión posterior),en la de salida (tensión anterior o frontal) o en ambas.

62 6.1. Laminado plano

La tensión posterior es aplicada a la hoja sometiendo al rollo que alimentala hoja al espacio de laminación (el rollo de suministro) a una acción de frenadomediante algún procedimiento adecuado. La tensión anterior se aplica incremen-tando la velocidad de rotación del rollo tensor. La laminación se puede efectuartambién con tensión anterior únicamente, sin aplicar potencia a los rodillos; esteproceso se conoce como laminación Steckel.

6.1.3. Consideraciones geométricas

En vista de que las fuerzas que actúan sobre los rodillos, éstos sufren ciertoscambios geométricos. De la misma manera que una viga recta se flexiona bajocarga transversal, las fuerzas de laminación tienen tendencia a flexionar losrodillos elásticamente durante el laminado; mientras más elevado sea el módulode elasticidad del material del rodillo, menor será la deflexión del mismo.

Como resultado de la flexión del rodillo, la tira laminada tiene tendenciaa quedar más gruesa en su centro que en sus bordes. El método usual paraevitar este problema es rectificar los rodillos de manera que su diámetro en laparte central sea ligeramente mayor que en sus bordes, dándoles una combadura.Así, cuando los rodillos se flexionan, su contacto a todo lo ancho de la tira seendereza, y la tira que se está laminando pasa a tener un espesor constante entoda su anchura.

Para el laminado de metales en hoja, el radio del punto máximo de comba-dura es, por lo general, 0,25 mm mayor que el de los bordes del rodillo. Cuandoestán correctamente diseñados, los rodillos con combadura producen tiras pla-nas. Sin embargo, una combadura específica es únicamente correcta para unacierta carga y un cierto ancho de tira. A fin de reducir los efectos de la deflexión,los rodillos se pueden someter a flexión mediante la aplicación de momentos ensus cojinetes; esta manipulación simula la combadura.

Debido al calor generado por deformación plástica durante la laminación, losrodillos pueden abarrilarse ligeramente (combadura térmica); a menos que estose compense mediante algún otro procedimiento, dicha situación puede producirtiras más delgadas en el centro que en los bordes. En consecuencia, la combaduratotal (o final) puede variarse modificando la localización del refrigerante sobrelos rodillos durante la laminación en caliente.

Las fuerzas de laminación también tienden a aplanar los rodillos elástica-mente. Este aplanamiento de los rodillos no es deseable, ya que genera, en efecto,un radio de rodillo más grande y, por tanto, un área de contacto mayor parael mismo tiro. A su vez, la fuerza de laminación se incrementa al aumentar elaplastamiento.

Ensanchado En la laminación de placas y hojas con elevadas relaciones en-tre ancho y espesor, el ancho del material se conserva efectivamente constantedurante la laminación. Sin embargo, con relaciones más pequeñas, como porejemplo una sección transversal cuadrada, el ancho se incrementa de maneraconsiderable en el espacio de laminación. Este incremento de la anchura se co-


noce como ensanchado. En el cálculo de la fuerza de laminación, en ancho w dela ecuación (6.1) se toma como ancho promedio.

Se puede demostrar que el ensanchado se incrementa con una reducción enla relación ancho a espesor del material de entrada (debido a la reducción en lalimitación de ancho), con un incremento en la fricción y con una reducción en larelación del radio del rodillo al espesor de la tira —estos dos últimos debido a lamayor limitante longitudinal de flujo de material en el espacio de laminación).El ensanchado se puede evitar mediante el uso de rodillos verticales en contactocon los bordes del producto laminado (como en los molinos canteadores).

6.2. Práctica del laminado plano

La ruptura de un lingote al inicio o de una placa durante el proceso de coladacontinua se efectúa mediante laminación en caliente. La laminación en caliente—efectuada por encima de la temperatura de recristalización del metal— con-vierte la estructura colada en una estructura laminada. Esta estructura tienegranos más finos y una mayor ductilidad, resultando ambas de la ruptura de loslímites de los granos frágiles y del cierre de los defectos internos, especialmentede la porosidad.

El producto de la primera operación de laminado en caliente se conoce comotaco (bloom) o planchón (slab). Por regla general, un taco posee una seccióntransversal cuadrada, de por lo menos 150 mm de lado; un planchón tiene unasección transversal, por lo general, rectangular. Los tacos se siguen procesando,mediante laminado, en forma de perfiles estructurales y raíles de ferrocarril. Losplanchones se laminan en placas y en hojas.

Las palanquillas son, por lo general, cuadradas, con un área transversalmenor que la de los tacos; posteriormente, se laminan en varias formas, comovarillas y barras redondas, mediante el uso de rodillos y de forma. Las vari-llas redondas laminadas en caliente se utilizan como el material inicial para elestirado de varillas y de alambre; se conocen como varillas para alambre.

En el laminado en caliente de los tacos y los planchones, la superficie delmaterial, habitualmente, se acondiciona —i.e., se prepara para una operaciónposterior— antes de la laminación. El acondicionamiento se efectúa mediantevarios procedimientos, como el uso de un soplete (descascarado) para eliminarla cascarilla gruesa, o de un esmerilado grueso para suavizar las superficies.Antes del laminado en frío, la cascarilla que se desarrolló durante el laminadoen caliente puede eliminarse mediante ataque químico con ácido (ataque ácido),o mediante medios mecánicos tales como el chorro de agua o el esmerilado,permitiendo este último eliminar también otros defectos.

El laminado en frío se lleva a cabo a la temperatura ambiente y, comparadocon la laminación en caliente, produce hojas y tiras con un acabado superfi-cial mucho mejor —debido a la inexistencia de cascarilla—, mejores toleranciasdimensionales y buenas propiedades mecánicas, gracias al endurecimiento pordeformación.

64 6.2. Práctica del laminado plano

El laminado conjunto es una operación de laminado plano en la cual dos omás capas de metal se laminan juntas; este proceso mejora la productividad. Lahoja de aluminio, por ejemplo, se lamina en conjunto o en dos capas. Un ladode la hoja de aluminio es mate, el otro brillante; el lado de hoja a hoja tiene unacabado mate y satinado, pero el lado de hoja a rodillo es brillante y pulido,porque ha estado en contacto con los rodillos pulidos.

El acero dulce, cuando se le estira durante las operaciones de formado dehoja, sufre una elongación de punto de fluencia, un fenómeno que causa irre-gularidades superficiales conocidas como deformaciones de estirado o bandas deLüder. Para corregir esta situación, el metal en hoja se somete a una ligerapasada final de 0,5 a 1,5 por ciento de reducción, conocida como laminado derelevado (temper rolling) o pase superficial.

Una hoja laminada pudiera no quedar lo suficientemente plana al salir delespacio de laminación, debido a variaciones en el material o en los parámetrosde procesamiento durante el laminado. A fin de mejorar la planitud, la tira la-minada se hace pasar a través de una serie de rodillos niveladores. Se empleanvarias combinaciones diferentes de rodillos. Cada rodillo, por lo general, es im-pulsado de manera independiente por un motor eléctrico. La tira es flexionadaen direcciones opuestas conforme pasa a través del juego de rodillos.

6.2.1. Defectos en placas y hojas laminadas

Se ha identificado un conjunto de defectos superficiales tales como cascarilla,corrosión, rayaduras, mordeduras, picaduras y grietas. Estos defectos puedenhaber sido causados por inclusiones e impurezas en el material fundido originalo debido a otras situaciones relacionadas con la preparación del material y conla operación de laminado.

Los bordes ondulados en las hojas son el resultado de la flexión del rodillo. Latira es más delgada en sus bordes que en el centro; dado que los bordes se alarganmás que el centro, se tuercen, ya que están limitados en su libre expansión en ladirección longitudinal de laminado. Las grietas son, habitualmente, el resultadode una deficiente ductilidad del material a la temperatura del laminado.

El hojeamiento (alligatoring) es un fenómeno complejo y puede estar causa-do por una deformación no uniforme durante el laminado o por la presencia dedefectos en la palanquilla fundida original. Dado que la calidad de los bordes dela hoja es importante en operaciones de conformado con lámina de metal, a me-nudo los defectos en los bordes de las hojas laminadas son eliminados medianteoperaciones de corte y hendidura.

6.2.2. Otras características

Esfuerzos residuales Debido a la deformación no uniforme del material en elespacio de laminación, se pueden desarrollar esfuerzos residuales en placas yhojas laminadas, especialmente durante la laminación en frío. Los rodillos depequeño diámetro o las pequeñas resucciones por pasada tienden a deformar


el metal plásticamente en sus superficies. Esta situación produce esfuerzos resi-duales a compresión sobre las superficies —que pueden ser benéficos para unamejor vida a fatiga— y esfuerzos a la tensión en el centro.

Por otra parte, los rodillos de gran diámetro y grandes reducciones tiendena deformar todo el volumen más que las superficies; esto se debe a la limitantepor fricción en las superficies a lo largo del arco de contacto entre el rodillo y latira. Esta situación produce esfuerzos residuales opuestos a los que se presentanen el caso de rodillos de pequeño diámetro.

Tolerancias dimensionales Las tolerancias en espesor para hojas laminadasen frío poseen habitualmente un rango de ±0,1 a ±0,35 mm. Para las placaslaminadas en caliente, las tolerancias son mucho mayores. Las tolerancias porplanitud están habitualmente en el rango de ±15 mm por metro para laminadoen frío y de ±55 mm por metro para el laminado en caliente.

Aspereza superficial (rugosidad) El laminado en frío puede producir un aca-bado superficial muy fino, por lo que los productos hechos con hojas laminadasen frío pudieran no requerir operaciones de acabado. El laminado en caliente yla fundición en arena producen el mismo rango de aspereza superficial.

Número de calibre El espesor de una hoja se identifica habitualmente por unnúmero de calibre: cuanto más pequeño sea el número, más gruesa será la hoja.Se utilizan varios sistemas de numeración, dependiendo del tipo de lámina demetal que se está clasificando. Las hojas laminadas de cobre y de latón tambiénse identifican por cambios en su espesor durante el laminado, como por ejemplo1

4duro, 1

2duro y así sucesivamente.

6.3. Molinos para laminación

Aunque el equipo para el laminado en caliente y en frío es básicamenteel mismo, existen diferencias en el material de los rodillos, los parámetros delproceso, los lubricantes y los sistemas de enfriamiento.

El diseño, la construcción y operación de los molinos de laminación requierede inversiones de consideración. Los molinos altamente automatizados producenplacas y hojas de alta calidad y estrictas tolerancias en elevados volúmenes deproducción y a un bajo costo por unidad de peso, particularmente cuando estánintegrados a la colada continua. El ancho de los productos laminados puedetener un rango de hasta 5 metros y un espesor de sólo 0,0025 mm.

Los molinos de laminación con dos y tres rodillos se utilizan para la lami-nación en caliente en los pases iniciales (molino de desbaste primario o coggingmill) sobre los lingotes fundidos o en la colada continua, con diámetros de rodi-llos que van desde 0,6 a 1,4 metros. En el laminador de tres rodillos o laminadorinversor, la dirección del movimiento del material se invierte después de cadapasada; la placa que se está laminando es elevada de forma repetida al espa-

66 6.4. Operaciones de laminado de forma

cio superior de laminación, laminada y después bajada al espacio inferior delaminación mediante elevadores y diversos manipuladores.

Los laminadores de cuatro rodillos y los laminadores de conjunto o en raci-mo —también llamados molinos Sendzimir o molinos Z se basan en el principiode que los rodillos de diámetro reducido disminuyen las fuerzas de laminado ylos requisitos de potencia, reduciendo el ensanchado. Además, cuando están des-gastados o rotos, los rodillos pequeños pueden reemplazarse a un coste inferiorque los grandes. Sin embargo, los rodillos pequeños se flexionan más bajo lasfuerzas de laminado y deben ser soportados por otros rodillos, como ocurre enlaminadores de cuatro rodillos y de conjunto. Aunque el costo de una instala-ción de tren Sendzimir puede alcanzar millones de dólares, es particularmenteadecuado para la laminación en frío de hojas delgadas de metales de alta resis-tencia.

En la laminación en tándem, la tira es laminada continuamente, a travésde un número de pases, con calibres más pequeños en cada pase. Cada paseestá formado por un juego de rodillos con su propia carcasa y controles. Ungrupo de pasos se conoce como un tren. El control del calibre y de la velocidada la que se mueve la hoja a través de cada espacio de laminación es crítico.En las operaciones de laminación en tándem se utilizan controles electrónicosy por computadora, junto con una amplia cantidad de controles hidráulicos,particularmente en laminado de precisión.

Rodillos Los requerimientos fundamentales para el material de los rodillos sonla resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. Los materiales más comunespara los rodillos son la fundición de hierro, el acero fundido y el acero forjado.También se utilizan carburos de tungsteno para rodillos de pequeño diámetro,como por ejemplo los rodillos de trabajo de un laminador en cluster. Los rodillosde acero forjado, aunque de un costo mayor, poseen más resistencia, rigidez ytenacidad que los rodillos de hierro fundido. Los rodillos que se van a usarpara la laminación en frío se rectifican hasta un acabado fino; para aplicacionesespeciales, los rodillos, además, se pulen.

Lubricantes La laminación en caliente de las aleaciones ferrosas se efectúa porlo general sin lubricantes, aunque se puede usar grafito. Se emplean solucionesde base agua para enfriar los rodillos y para romper la cascarilla sobre el mate-rial laminado. Las aleaciones no ferrosas se laminan en caliente utilizando unadiversidad de aceites compuestos, emulsiones y ácidos grasos. La laminación enfrío se efectúa con lubricantes solubles en agua o lubricantes de baja viscosidad,como aceites minerales, emulsiones, parafina y aceites grasos. El medio de calen-tamiento usado para el tratamiento térmico de las palanquillas y de las placastambién puede servir como lubricante.

6.4. Operaciones de laminado de forma

Además de la laminación plana, se pueden producir varias formas medianteel laminado de forma. Pasando la materia prima a través de un juego de rodillos


especialmente diseñados, se laminan formas estructurales rectas y largas, comobarra sólida, canales, vigas y raíles de ferrocarril.

6.4.1. Laminado en anillo

En el proceso de laminado en anillo, un anillo grueso se expande a un anillode gran diámetro con una sección transversal reducida. El anillo se coloca entredos rodillos, uno de los cuales es impulsado, y su espesor se va reduciendo al iracercando los rodillos entre sí conforme giran. Dado que el volumen del anillo seconserva constante durante la deformación, la reducción de espesor se compensacon un incremento en el diámetro del anillo.

La pieza en bruto en forma de anillo puede producirse cortándola de unaplaca, perforándola o cortando un tubo de pared gruesa. Mediante el uso derodillos para anillo se pueden producir varias formas. Las aplicaciones típicaspara el laminado en anillo son los grandes anillos para cohetes y turbinas, lascoronas de engranajes, las pistas para bolas y rodillos de cojinetes, las bridas ylos anillos de refuerzo para tuberías.

El proceso de laminado en anillo se puede efectuar a temperatura ambienteo a temperaturas elevadas, dependiendo del tamaño, resistencia y ductilidad delmaterial de la pieza de trabajo. En comparación con otros procesos de manufac-tura capaces de fabricar la misma pieza, las ventajas de este proceso son un cortotipo de producción, ahorros de material, estrictas tolerancias dimensionales yun flujo favorable del grano en el producto.

6.4.2. Laminado de roscas

El proceso de laminado de roscas es un proceso de conformado en frío en elcual se forman roscas rectas o cónicas en varillas redondas, al pasar éstas entredos dados para darles forma. Las roscas se forman sobre la varilla o sobre elalambre en cada carrera de un par de dados planos reciprocantes. Los productostípicos son los tornillos, los pernos y piezas similares roscadas. Dependiendo deldiseño del dado, el diámetro principal de una rosca laminada puede o no sermayor que el de una rosca maquinada, i.e., la misma que el diámetro de lavarilla en bruto.

El proceso es capaz de generar formas similares, como ranuras y variasformas de engranaje, en otras superficies, y se puede utilizar en la producciónde casi todos los sujetadores roscados a elevadas tasas de producción. En otrométodo, se forman las roscas con dados rotatorios a tasas de producción dehasta 80 piezas por segundo.

El proceso de laminado de roscas tiene la ventaja de generar roscas sinninguna pérdida de material (desperdicio) y con buena resistencia (debido altrabajo en frío). El acabado superficial es muy terso y el proceso induce sobre lasuperficie de la pieza esfuerzos residuales de compresión, mejorando por tantola vida bajo condiciones de fatiga.

El laminado de roscas es superior a otros métodos de manufactura de roscas,dado que el maquinado de las roscas corta a través de las líneas el flujo del grano

68 6.5. Producción de tubos y tuberías sin costura

del material, en tanto que el laminado de roscas deja un patrón de flujo finode grano que mejora la resistencia de la rosca. A diferencia del maquinado, quecorta a través de los granos el metal, el laminado de las roscas genera una mejorresistencia, gracias al trabajo en frío y a un flujo favorable del grano.

Las roscas se laminan en los metales en condición suave, en vista de losrequisitos de ductilidad. Sin embargo, posteriormente se pueden someter a tra-tamiento térmico y, de ser necesario, a un maquinado o rectificado final. Parametales en condición dura, las roscas se maquinan y/o se rectifican. Las roscaslaminadas están disponibles en las formas de rosca estándar de más amplio uso;las roscas poco comunes o las de propósito especial, por lo general, se maquinan.

Mediante procesos de laminado en frío similares al laminado de roscas sepueden producir engranajes rectos y helicoidales. En las operaciones de lami-nado de roscas la lubricación es importante, a fin de obtener buenos acabadose integridad superficial y minimizar defectos. Es importante la forma en que elmaterial cambia de forma durante la deformación plástica, ya que es fácil quese generen defectos internos.

6.5. Producción de tubos y tuberías sin costura

El perforado rotativo de tubos es un proceso de trabajo en caliente para lamanufactura de tubos y tuberías largas, de pared gruesa. Se basa en el principiode que cuando se somete una barra redonda a fuerzas radiales a compresión, sedesarrollan esfuerzos a tensión en el centro de la misma.

La perforación rotativa de tubos (proceso Mannesmann) se lleva a caboutilizando un conjunto de rodillos giratorios. Los ejes de los rodillos están enángulo, a fin de tirar de la barra redonda a través de los rodillos debido alcomponente axial del movimiento rotatorio. Un mandril o árbol interno ayudaen la operación, expandiendo la perforación y dimensionando el diámetro internodel tubo.

El diámetro y el espesor de tubos y tuberías se pueden reducir mediantela laminación de tubos, que usa rodillos de forma. Algunas de estas operacionespueden hacerse con y sin mandril interno. En la laminación Pilger, el tubo yel mandril interno tienen un movimiento reciprocante; los rodillos poseen unaforma especial y giran continuamente. Durante el ciclo de espacio del rodillo, eltubo se adelanta y rota, iniciando otro ciclo de reducción del tubo.

6.6. Colada y laminado continuos; laminadorasintegradas y minialminadoras

Laminadoras o molinos integrados Se trata de grandes instalaciones que in-volucran las actividades totales desde la producción del metal caliente en unalto horno al vaciado y laminado de productos terminados.


Minilaminadoras La competencia existente en la industria del acero ha con-ducido al desarrollo de las minilaminadoras o minimolinos, una operación re-lativamente nueva pero de importancia. En una minilaminadora, se funde elmetal de desperdicio o chatarra en hornos de arco eléctrico, se hacen coladascontinuas y se laminan directamente en líneas específicas de productos. Cadaminilaminadora produce esencialmente un tipo de producto laminado a partirde básicamente un tipo de metal o de aleación.

Las minilaminadoras poseen las ventajas económicas de operaciones ópti-mas de baja inversión para cada tipo de metal y línea de productos, así comobajos costos de mano de obra y de energía. Los productos están, por lo general,orientados a los mercados del área geográfica de la laminadora.

Tema 7

Conformación por

deformación plástica II

7.1. Forja con dado abierto

La forja con dado abierto es el proceso de forja más sencillo. Aunque lamayor parte de las forjas hechas con dado abierto pesan, en general, de 15 a 500kilogramos, se han forjado piezas de hasta 300 toneladas. Los tamaños puedenvariar desde piezas muy pequeñas hasta ejes de unos 23 m de largo, como losde hélices de barcos.

Se puede describir el proceso con matriz abierta como una pieza sólida co-locada entre dos dados o matrices planas, cuya altura se reduce por compresión.Este proceso también se llama recalcado o forjado con dado plano. Las superfi-cies del dado en la forja con matriz plana pueden tener cavidades sencillas, paraproducir piezas relativamente sencillas.

En condiciones ideales, la pieza se deforma uniformemente. En las operacio-nes reales, la pieza desarrolla una forma abarrilada; esta deformación tambiénse llama pancaking. El abarrilamiento se debe principalmente a fuerzas de fric-ción en las interfases entre dado y pieza, que se oponen al flujo de los materialeshacia afuera en esas regiones. Se puede reducir el abarrilamiento al mínimo sise usa un lubricante eficaz.

También puede presentarse el abarrilamiento al aplanar piezas calientes en-tre dados fríos. El material, en y cerca de las interfases, se enfría con rapidez,mientras que el resto de la pieza permanece relativamente caliente. Así, el ma-terial, en los extremos de la pieza, tiene más resistencia que en el centro. Enconsecuencia, la parte central de la pieza se dilata más en dirección lateral queen los extremos. El abarrilamiento debido a efectos térmicos se puede reduciro eliminar con dados calentados; también se usan barreras térmicas, como porejemplo manta de fibra de vidrio en el contacto entre el dado y la pieza.

El desbaste (dowing out) es, principalmente, una operación de forjado endado abierto en la que se reduce el espesor de una barra en pasos sucesivos deforjado en intervalos específicos.

72 7.2. Dado impresor y forja con dado cerrado

Fuerza de forjado La fuerza de forjado, F , en una operación de forjado condado abierto sobre una pieza sólida cilíndrica, se puede calcular con la fórmula:

F = Yfπr2

(

1 +2µr

3h

)

,

donde Yf es la resistencia de fluencia del material, µ el coeficiente de fricción yr y h son el radio y la altura de la pieza, respectivamente.

7.2. Dado impresor y forja con dado cerrado

En la forja con dado impresor o forja con matriz de impresión, la piezaadquiere la forma de las cavidades (impresiones) del dado, al forjarse entre dosmatrices perfiladas. Algo del material fluye hacia afuera y forma una rebaba. Éstaposee un papel importante en el flujo del material en el estampado: es delgada, seenfría con rapidez y, por su resistencia a la fricción, somete a grandes presionesal material en la cavidad de la matriz, promoviendo así el llenado de la cavidad.

La pieza a forjar se prepara con operaciones como: corte o recorte de unabarra extruida o estirada, operaciones de preconformado como metalurgia depolvos, fundido o una pieza bruta preformada en un forjado anterior.

En la forja con dado cóncavo el material se aleja de una zona; en la forja condado convexo, se junta en una zona localizada. A continuación, a la pieza se le dala forma aproximada con un proceso llamado bloqueo, usando dados bloqueadores.La operación final es el acabado de la forja en matrices de estampado, que ledan su forma final. La rebaba se quita, normalmente mediante troquelado.

En el proceso verdadero de forja con dado cerrado o sin rebabas, éstas nose forman y la pieza llena por completo la cavidad del dado. Son esenciales elcontrol exacto del volumen de material y un diseño correcto de la matriz, paraobtener una forja con matriz cerrada que tenga las dimensiones y toleranciasdeseadas. Las piezas brutas pequeñas no llenan por completo la cavidad deldado; al contrario, las demasiado grandes generan presiones excesivas y puedenhacer que los dados fallen prematuramente o se aplasten.

7.2.1. Forja de precisión

Por razones económicas, la tendencia actual en las operaciones de forjadoes hacia mayor precisión, con lo que se reduce la cantidad de las operacionesadicionales de acabado. Las operaciones en las que la pieza que se forma tienedimensiones cercanas a las finales deseadas se denominan forja a la forma casineta, o forja a la forma neta.

En la forja de precisión, unos dados especiales producen piezas con mayo-res precisiones que las que se obtienen en la forja con dados de estampado, yrequieren mucho menos maquinado. En el proceso se requiere equipo de mayorcapacidad, por la necesidad de aplicar mayores fuerzas para obtener los deta-lles finos de la pieza. Debido a que las fuerzas y temperaturas que se requieren

7. Conformación por deformación plástica II 73

son relativamente bajas, las aleaciones de aluminio y de magnesio se prestanen especial para el forjado de precisión; además, los dados se gastan menos yel acabado superficial es bueno. También se puede hacer forja de precisión conlos aceros y el titanio. Entre los productos característicos producidos medianteforja de precisión están los engranajes, bielas, cajas y álabes de turbina.

7.2.2. Acuñamiento

El acuñado o acuñamiento es esencialmente un proceso de forja con dadocerrado, que se usa de forma específica para producir monedas, medallones yjoyería. El tejo se acuña en una cavidad completamente cerrada del dado. Paraproducir los detalles finos, las presiones necesarias pueden ser de hasta 5 o 6 vecesla resistencia del material. En este caso no se pueden emplear lubricantes, porquepueden quedar atrapados en las cavidades del dado y, al ser incompresibles,evitar la reproducción completa de los detalles superficiales del dado.

7.2.3. Fuerza de forjado

La fuerza F de forjado que se necesita para una operación de estampado sepuede calcular con la fórmula

F = kYfA,

donde k es un factor multiplicativo, Yf es el esfuerzo de flujo del material ala temperatura de forjado y A es el área proyectada de la forja, incluyendo larebaba. En operaciones de forja en caliente, la presión real de forjado para lamayor parte de los metales va de 500 a 1000 MPa.

7.3. Operaciones relacionadas con el forjado

7.3.1. Cabeceado

El cabeceado, encabezado o cabeceo es esencialmente una operación de recal-cado que normalmente se hace en el extremo de una varilla o alambre redondos,para producir una sección transversal mayor. Entre los ejemplos característicosestán las cabezas de los tornillos, pernos, remaches, clavos y demás sujetadores.Los procesos de cabeceado se pueden hacer en frío o en caliente, en máquinasque se llaman cabeceadoras, que suelen estar muy automatizadas. Sus produc-ciones con piezas pequeñas son de cientos de ellas por minuto. Es fácil que estasmáquinas sean ruidosas; se requieren recintos a prueba de ruido, o el uso deprotectores. Se pueden combinar las operaciones de cabeceado con los procesosde extrusión en frío para fabricar diversas piezas.

Un aspecto importante del cabeceado es la tendencia que tiene la barrade torcerse si la relación de longitud soportada a diámetro es demasiado alta.

74 7.3. Operaciones relacionadas con el forjado

Esta relación se suele limitar a menos de tres a uno, pero puede ser mayor,dependiendo de la geometría del dado. Por ejemplo, se pueden lograr mayoresrelaciones si el diámetro de la cavidad de la matriz no es mayor que 1,5 veces eldiámetro de la barra.

7.3.2. Penetrado

El penetrado es un proceso de indentación (sin atravesar) de la superficiede una pieza con un punzón, para producir una cavidad o impresión. La piezapuede estar confinada en una cavidad del dado o puede no estar restringida. Alpenetrado puede seguir la perforación, punzonado o taladrado, para producir unorificio en la pieza. Además, el penetrado se hace para producir regiones huecasen las forjas con equipo auxiliar de acción lateral.

La fuerza de penetrado depende del área transversal y de la geometría de lapunta del punzón, de la resistencia del material y de la magnitud de la fricciónentre las interfases deslizantes. La presión puede ser de tres a cinco veces laresistencia del material, más o menos igual a la que se requiere para hacer unaindentación en la determinación de la dureza.

7.3.3. Otras operaciones

El punzonado de cavidades consiste en oprimir un punzón endurecido, condeterminada geometría en la punta, sobre la superficie de un bloque de material.A continuación, la cavidad producida se usa como un dado para operaciones deconformado, como en la fabricación de cuchillería. La cavidad del dado suele serpoco profunda, pero para cavidades mayores se puede quitar algo de materialde la superficie, maquinándolo antes de punzonar cavidades.

En el laminado forjado o forja laminar, se reduce o se conforma la dimen-sión transversal de una barra pasándola por un par de rodillos con ranurasconformadas. Con este método se producen ejes cónicos y muelles trapezoida-les, cuchillería y herramientas de mano; también se puede usar como operaciónpreliminar de conformado, a la que siguen otros procesos de forja.

Un proceso parecido al laminado formado es el laminado inclinado, que seusa normalmente para fabricar cojinetes de bolas. Se alimenta alambre o barraredonda al hueco entre los rodillos y se forman piezas más o menos esféricas,en forma continua, por acción de los rodillos giratorios. Otro método de for-mar piezas casi esféricas para cojinetes de bolas es cortar tramos de una barraredonda para después batirlos en cabeceadoras de bola entre dos dados con cavi-dades semiesféricas. Posteriormente, las bolas son esmeriladas y pulidas en unamaquinaria especial.

El forjado orbital es un proceso en el que el dado superior describe unatrayectoria en órbita y forma la pieza en forma incremental. Las piezas que sesuelen forjar con este proceso tienen formas de disco y formas cónicas, como porejemplo los engranajes cónicos. La fuerza de forjado es relativamente pequeña,


porque en cualquier instante el contacto del dado se limita a una zona pequeñade la pieza. La operación es relativamente lenta y las piezas pueden ser formadascon unos diez o veinte ciclos del dado en órbita.

La forja incremental es un proceso en el que la pieza se conforma por forjadocon una herramienta que da la forma en varios pasos pequeños. Este conceptose parece algo a la operación de desbaste; en ella el dado penetra en la piezahasta distintas profundidades por la superficie. En consecuencia, en este procesose requieren fuerzas mucho menores que en el forjado convencional con dado deimpresión. Además, las herramientas son más sencillas y menos costosas.

En el forjado isotérmico, también llamado forjado con dado caliente, losdados se calientan a la misma temperatura que la de la pieza caliente. Comola pieza permanece caliente, durante la forja se mantienen su baja resistenciay gran ductilidad; la fuerza de forjado es baja y mejora el flujo de materialen el interior de la cavidad del dado. Se pueden forjar piezas complicadas, conbuena precisión dimensional y casi hasta su forma, con un solo viaje de la prensahidráulica. Los dados para el forjado en caliente se suelen hacer con aleacionesde níquel o de molibdeno.

7.4. Forjado rotatorio

En el forjado rotatorio o suaje, llamado simplemente embutido o forjadoradial, una varilla sólida o tubo se somete a fuerzas radiales de impacto medianteun conjunto de dados reciprocantes. El movimiento de los dados se obtienemediante un conjunto de rodillos en una caja, en una acción parecida a la de unrodamiento laminar. La pieza se mantiene estática y los dados giran, golpeandola pieza con frecuencias de hasta veinte golpes por segundo.

En las máquinas de forjado con dado cerrado de matriz, los movimientosde los dados se obtienen por el movimiento reciprocante de cuñas. Los dados sepueden abrir más que los de las forjadoras rotatorias y, en consecuencia, puedenmanejar piezas de diámetro grande variable. En otra clase de máquinas, los da-dos no giran, sino que se mueven radialmente hacia el interior o el exterior. Entrelos productos que se fabrican con ellas están las hojas de los destornilladores ylas puntas de cautín.

En la extrusión de tubo, el diámetro interno y/o el espesor de la pared deltubo se pueden controlar con o sin el uso de mandriles internos. Para tubuladorasde pequeño diámetro, se usa alambre de alta resistencia como mandril. Losmandriles también se pueden fabricar con ranuras longitudinales, para poderforjar tubos de formas internas especiales. Por ejemplo, el acanalado de loscañones de las armas se hace forjando un tubo sobre un mandril que tieneranuras en espiral.

El proceso de forjado rotatorio se puede aplicar para ensamblar herrajessobre cables y alambres; en tales casos se emboquilla directamente el herrajetubular al cable. También se usa este proceso en operaciones como el apuntado—hacer cónica la punta de una pieza cilíndrica— y el dimensionado —terminar

76 7.5. Diseño del dado de forjado

las dimensiones de una pieza—.

El emboquillado o suajeado se limita a piezas que poseen un diámetro deaproximadamente 150 mm; se han emboquillado piezas de hasta 0,5 mm. Lastolerancias van desde ±0,05 a ±0,5 mm. Es adecuado para producciones me-dianas o altas. Es posible obtener producciones de hasta 50 partes por minuto,según la complejidad de la pieza. Es un proceso versátil y las longitudes sóloestán limitadas por la longitud de la barra que sostiene el mandril, en caso deser éste necesario.

Como en otros procesos de trabajo en frío, las piezas producidas por elforjado rotatorio tienen mejores propiedades mecánicas.

7.5. Diseño del dado de forjado

Para diseñar los dados para forja se requiere conocer la resistencia y laductilidad del material de la pieza, su sensibilidad a la velocidad de deformacióny a la temperatura, sus características de fricción y la forma y la complejidadde la pieza. Un aspecto importante es la distorsión del dado bajo grandes cargasen el forjado, en especial si se requieren tolerancias dimensionales cerradas.

La regla más importante en el diseño de dados es que la pieza fluye en ladirección de la menor resistencia. Por consiguiente, se debe conformar la pieza(forma intermedia) de tal modo que llene bien las cavidades del dado.

Preformado En una pieza bien preformada o preconformada, el material nodebe fluir con facilidad hacia la rebaba, el patrón de flujo del grano debe serfavorable y se debe minimizar el deslizamiento excesivo en las caras de contactoentre pieza y dado para reducir el desgaste.

Se han desarrollado técnicas de diseño asistidas por computadora para llevara cabo los cálculos necesarios, así como para predecir la pauta de flujo delmetal en la cavidad de la matriz y la formación de defectos. Como el materialsufre distintos grados de deformación —y a velocidades distintas— en diversasregiones de la cavidad del dado, las propiedades mecánicas dependerán del lugarespecífico en la forja.

Particularidades en el diseño de dados Para la mayor parte de las forjas opiezas forjadas, la línea de partición suele estar en la sección transversal máximade la pieza. Para las formas simétricas sencillas, es normalmente una recta quepasa por el centro de la pieza forjada, pero para formas más complejas esa líneapuede no estar en un solo plano.

Después de restringir de forma suficiente el flujo lateral para asegurar unbuen llenado del dado, se deja que el material de rebaba fluya en un canal derebaba para que, si hay rebaba adicional, no aumente en forma innecesaria lafuerza de forjado. Un lineamiento general para holguras de rebaba entre dados


es el tres por ciento del grosor máximo de la forja. La longitud de la cara sueleser de dos a cinco veces el espesor de la rebaba. A través de los años se handesarrollado diversos diseños de canal de rebaba.

Los ángulos de salida son necesarios en casi todos los dados de forjado, parafacilitar el desprendimiento entre la pieza y el dado. Al enfriarse, la pieza forjadase contrae en dirección radial y longitudinal a la vez, por lo que los ángulos desalida internos se hacen mayores que los externos. Los ángulos internos son de7–10◦, y los externos de 3–5◦.

Es importante seleccionar los radios de tangencia adecuados en las esquinasy los biseles, para asegurar el flujo uniforme del metal hacia la cavidad deldado y mejorar la vida de éste. En general, son indeseables los radios pequeñospor su efecto adverso sobre el flujo de metal, y su tendencia a desgastarse conrapidez, como resultado de la concentración de esfuerzos y los ciclos térmicos.Además, los radios pequeños de bisel pueden causar la rotura de los dados porfatiga. Como regla general, estos radios deben ser tan grandes como lo permitael diseño de la pieza forjada.

En lugar de hacerse de una sola pieza, los dados se pueden ensamblar coninsertos, en particular para formas complejas; con esta alternativa se reduce elcosto de fabricación de varios dados semejantes. Los insertos se pueden fabricarcon materiales más fuertes y duros, y se pueden cambiar con facilidad en casode desgaste o falla en una zona determinada.

Como en el caso de los modelos empleados en fundición en forja, se prevéntolerancias en el diseño e los dados, porque se puede necesitar el maquinado dela pieza forjada para obtener las dimensiones y el acabado superficial finales.Las tolerancias de maquinado deben preverse en las bridas, orificios y superficiesconjuntas.

7.6. Materiales y lubricación de los dados

Materiales de los dados La mayor parte de las operaciones de forjado, en es-pecial para piezas grandes, se hacen a altas temperaturas. En consecuencia, losrequerimientos generales para los materiales del dado son: resistencia y tena-cidad a temperaturas elevadas; capacidad de endurecimiento y de endurecerseuniformemente; resistencia al choque térmico y mecánico; y resistencia al des-gaste, en especial al desgaste abrasivo, por la presencia de cascarilla en la forjaen caliente.

La selección de los materiales adecuados para los dados depende de factorestales como su tamaño, la composición y las propiedades de la pieza, la comple-jidad de la forma, la temperatura de forjado, el tipo de operación de forjado, elcosto de los materiales del dado y la cantidad requerida de forjas. Además, unfactor importante es la transferencia de calor de la pieza caliente a los dados,con la consiguiente distorsión de éstos.

Los materiales comunes en los dados son los aceros de herramienta y para

78 7.7. Forjabilidad

dados, que contienen cromo, níquel, molibdeno y vanadio. Los dados se fabricana partir de bloques, que a su vez se forjan a partir de fundición, y después semaquinan y terminan a la forma y acabado superficial deseados.

Lubricación Los lubricantes influyen mucho sobre la fricción y el desgaste, ypor consiguiente sobre las fuerzas requeridas y el flujo del metal en las cavidades.También pueden actuar como barrera térmica entre la pieza caliente y los dadosrelativamente fríos, disminuyendo la velocidad de enfriamiento de la pieza ymejorando el flujo del metal. Otro papel importante del lubricante es servircomo agente de desprendimiento, i.e., inhibiendo que la pieza forjada se peguea los dados, y ayudando en el desprendimiento.

En el forjado se puede usar una gran variedad de lubricantes. Para una forjaen caliente se emplean grafito, bisulfuro de molibdeno y, a veces, vidrio. Para laforja en frío, los lubricantes comunes son aceites minerales y jabones, aplicadosdespués del recubrimiento de conversión de las piezas brutas. En la forja encaliente, se suele aplicar el lubricante directamente a los dos; en la forja en frío,se aplica a la pieza.

7.7. Forjabilidad

La forjabilidad se define como la capacidad de un material de sobrellevaruna deformación sin romperse. Para cuantificarla se han desarrollado variaspruebas, aunque ninguna se acepta de forma universal. Una prueba que se aplicacon frecuencia es comprimir un espécimen cilíndrico sólido y observar si hayagrietamiento en las superficies abarriladas; mientras mayor sea la deformaciónantes del agrietamiento, mayor será la forjabilidad del metal.

Se pueden hacer pruebas de compresión a diversas temperaturas y veloci-dades de deformación. Si la sensibilidad del material a la muesca es grande, losdefectos superficiales afectarán a los resultados, al causar agrietamiento prema-turo. Un defecto superficial característico es la fisura, que puede ser una hile deinclusiones, una rayadura longitudinal o pliegues introducidos antes de trabajarel material.

En la prueba de torsión en caliente, una probeta redonda se tuerce en formacontinua y en la misma dirección, hasta que falla. La prueba se hace en variosespecímenes o probetas a distintas temperaturas, y se observa la cantidad devueltas que soportan sin fallar. A continuación, se escoge la temperatura óptimade forjado. Esta prueba tiene utilidad especial para seleccionar aceros.

Debido a las diferencias de ductilidad a distintas temperaturas, es más difícilforjar aleaciones bifásicas (como las de titanio) que las de una fase, y requierenuna selección y control cuidadosos de la temperatura de forjado.

Defectos en los materiales forjados Además del agrietamiento superficial du-rante el forjado, pueden desarrollarse otros defectos como resultado del flujo del


material en la matriz. Si hay volumen insuficiente del material y no se llena lacavidad del dado, el alma puede torcerse durante el forjado y producir pliegues.Por otra parte, si el alma es gruesa, el exceso de material fluye por las piezas yaformadas de la forja y produce grietas internas.

Los diversos radios en la cavidad del dado de forja pueden influenciar sig-nificativamente la formación de dichos defectos. Los defectos internos puedendesarrollarse también a partir de la deformación no uniforme del material en lacavidad, por gradientes de temperatura a través de la pieza durante el forjado,y por los cambios microestructurales causados por transformaciones de fase.

Aunque podrá no considerarse como imperfección, otro aspecto importantede la calidad en una forja es el patrón de flujo de grano. Hay casos en los quelas líneas de flujo llegan perpendicularmente a una superficie, descubriendo loslímites de grano directamente al ambiente. Esta condición se llama de granosfinales. En servicio estos granos finales pueden ser atacados por el ambiente,producir una superficie rugosa y funcionar como concentradores de esfuerzos.

7.8. Máquinas de forjado

Se usa una diversidad de máquinas de forjado, con distintas capacidades,velocidades y características de carrera. Estas máquinas se clasifican, en general,en prensas y en martillos o martinetes.

7.8.1. Prensas

Prensas hidráulicas Estas prensas funcionan a velocidad constante y estánlimitadas por la carga: la prensa se detiene si la carga requerida es mayor quesu capacidad. Se transfiere una gran cantidad de energía a la pieza, medianteuna carga constante durante una carrera, cuya velocidad se puede controlar.Como el forjado en prensa hidráulica tarda más que en otros tipos de máquinapara forjar, la pieza se puede enfriar con rapidez, a menos que se calienten losdados. En comparación con las prensas mecánicas, las hidráulicas son más lentase implican mayor costo inicial, pero requieren menos mantenimiento.

Una prensa hidráulica consiste, normalmente, en un marco de carga con dosa cuatro columnas, pistones, cilindros, arietes y bombas hidráulicas impulsadaspor motores eléctricos. Se puede variar la velocidad del ariete durante la carrera.Las capacidades de prensado llegan hasta 125 MN para forja con dado abierto,y hasta 450 MN en Estados Unidos, 640 MN en Francia y 730 MN en Rusiapara forja con dado cerrado.

Prensas mecánicas Estas prensas son, fundamentalmente, de manivela o deexcéntrica. Su velocidad varía desde un máximo en el centro de la carrera hastacero en su término, por lo que están limitadas por la carrera. En una pren-sa mecánica se genera la energía mediante un gran volante, accionado por un

80 7.8. Máquinas de forjado

motor eléctrico. Un embrague se acopla al volante con un eje excéntrico, mien-tras que una biela transforma el movimiento reciprocante en movimiento linealalternativo.

La fuerza disponible en una prensa mecánica depende de la posición en lacarrera; es muy alta en el punto muerto inferior. Por eso, es esencial la prepa-ración adecuada, para evitar que se rompan los dados o las piezas del equipo.Las prensas mecánicas tienen grandes capacidades de producción, son fáciles deautomatizar y requieren menos habilidad por parte del operador que otros tiposde máquinas forjadoras.

Prensas de tornillo Estas prensas obtienen su energía de un volante, por lo queson de energía limitada. La carga de forjado se transmite mediante un tornillovertical y el ariete se para cuando se disipa la energía del volante. Si no se cierranlos dados al final del ciclo, se repite la operación hasta que se termina el forjado.

Las prensas de tornillo se usan con distintas operaciones de forjado con dadoabierto y con dado cerrado. Se adaptan en particular para pequeñas produccio-nes y para piezas de precisión, como por ejemplo los álabes de turbina.

7.8.2. Martinetes

Los martinetes obtienen su energía de la energía potencial del ariete, que seconvierte en energía cinética; por consiguiente, están limitadas por la energía.A diferencia de las prensas hidráulicas, los martinetes trabajan con grandes ve-locidades, y el tiempo de conformado minimiza el enfriamiento de la forjaduracaliente. Las bajas velocidades de enfriamiento permiten forjar formas complica-das, en especial las que tienen oquedades delgadas y profundas. Para completarel forjado, se suelen dar varios golpes sucesivos en el mismo dado. Los martinetespueden tener varios diseños; son los más versátiles y menos costosos de entre losequipos de forjado.

Martinetes de gravedad En la operación de este martillo, proceso que se cono-ce como forja por gravedad, la energía se obtiene de la caída libre del ariete. Laenergía disponible en el martinete es el producto del peso del ariete por su alturade caída. Los pesos de pilón van de 180 a 4500 kilogramos y las capacidades deenergía llegan hasta los 120 kJ.

Martinete accionado por energía En estas máquinas, la carrera del arietehacia abajo se acelera con vapor, aire o presión hidráulica, a unos 750 kPa. Elpeso del ariete va de 225 hasta 22500 kg, y las capacidades de energía son dehasta 1150 kJ.

Martinetes de contragolpe Este martinete tiene dos arietes que se acercanentre sí, en forma simultánea, en dirección horizontal o vertical, para forjar la


pieza. Como en las operaciones de forjado con dado abierto, la pieza se puedegirar entre golpe y golpe, para conformarla bien durante el forjado. Los martine-tes de contragolpe trabajan a grandes velocidades y transmiten menos vibracióna sus cimientos. Sus capacidades llegan hasta 1200 kJ.

Martinetes de gran potencia En una máquina de gran potencia, el ariete seacelera mediante un gas inerte a alta presión, y la pieza se forja en un golpea muy alta velocidad. Aunque hay diversos tipos de estas máquinas, existenvarios problemas relacionados con su funcionamiento y mantenimiento, y conconsideraciones de seguridad y de fractura de dados, que han limitado su usoen plantas actuales de forjado.

7.8.3. Selección de las máquinas de forjado

En general, se prefieren las prensas para piezas de aluminio, magnesio, be-rilio, bronce y latón. Se suelen usar martinetes con los aceros, titanio, cobre yaleaciones de metales refractarios. También se puede hacer un forjado en dos omás equipos, i.e., primero en un martinete y después en una prensa hidráulicao mecánica.

7.9. Práctica del forjado y posibilidades del pro-ceso

Una operación de forjado implica el siguiente orden de pasos:

– Se prepara un trozo de metal, palanquilla o preforma por cizalladura (re-corte), aserrado o corte, en frío o en caliente. Si es necesario, se limpianlas superficies con métodos como el granallado.

– Para forjado en caliente, se calienta la pieza en un horno adecuado y, sies necesario, se la descascarilla después de calentarla, con un cepillo dealambre, chorro de agua o vapor, o se la rasca. Durante las etapas inicialesdel forjado también se puede efectuar la eliminación de la cascarilla.

– Para el forjado en caliente, se precalientan y lubrican los dados; para elforjado en frío, se lubrica la pieza.

– Se forja en los dados adecuados y en el orden adecuado. Si es necesa-rio, se quita todo el exceso de material, como la rebaba, por troquelado,maquinado o esmerilado.

– Se limpia la pieza forjada, se comprueban sus dimensiones y, si es necesario,se maquina hasta alcanzar sus dimensiones y tolerancias finales.

– Se efectúan otras operaciones tales como enderezado y tratamiento térmi-co, para mejorar las propiedades mecánicas. Se efectúan las operacionesde acabado que se necesiten.

82 7.10. Métodos de fabricación de dados

– Se inspecciona la pieza forjada para ver si tiene defectos internos o exter-nos.

La calidad, tolerancias dimensionales y acabado superficial de la pieza for-jada dependen de lo bien que se efectúen y se controlen estas operaciones. Engeneral, las tolerancias están entre ±0,5 y ±1 % de las dimensiones de la forja.En una buena práctica, las tolerancias del forjado en caliente del acero suelenser menores que ±6 mm, y en el forjado de precisión pueden ser de hasta ±0,25mm.

Existen otros factores que contribuyen a la falta de precisión dimensional,como son los ángulos de salida, los radios, el desgaste y el cerrado del dado y lafalta de coincidencia de los dados. El acabado superficial de la forja depende dela eficacia del lubricante, la preparación de la pieza, el acabado superficial y eldesgaste del dado.

Automatización del forjado Se han automatizado muchas máquinas e insta-laciones de forjado, y hoy las operaciones están controladas por computadora.Las piezas brutas y las forjas se manejan con robots y demás equipo de manejoautomático; este manejo puede incluir la carga y la descarga de los hornos. Seusan manipuladores mecánicos para mover y ubicar el material en los dados.Se han automatizado la lubricación y otras operaciones como el troquelado, eltratamiento térmico y el transporte del material.

Las capacidades de producción han aumentado debido al mejor control detodos los aspectos de las operaciones de forja. La automatización ha dado muybuenos resultados en la producción de piezas de alta calidad, como engranajes,ejes, tuercas, tornillos y pistas de rodamientos.

La distribución en una planta de forjado depende de factores como el ta-maño de la forja y el equipo que se use. Entre los nuevos desarrollos del forjadoestán la eliminación de pasos intermedios, por fusión y forjado directo a formasnetas o casi netas. Tales mejoras pueden reducir el costo de las forjas en formaapreciable, por el ahorro de mano de obra, equipo y materiales.

7.10. Métodos de fabricación de dados

Para fabricar los dados se usan varios métodos de manufactura, ya seaaisladamente o en combinación. Entre ellos están la fundición, la forja, el ma-quinado, el esmerilado y los métodos electroquímico y eléctrico de estampadode dados. El método de punzonado de cavidades, ya sea en frío o en caliente,también se puede usar para fabricar dados pequeños con cavidades superficia-les. Normalmente, los dados se tratan térmicamente para darles mayor durezay resistencia al desgaste. Si es necesario, su contorno y acabado superficial semejoran con rectificación y pulido, a mano o con la ayuda de robots industrialesprogramables.

Los dados de diversos tamaños y formas pueden fundirse en acero, fundición


o aleaciones no ferrosas. Los procesos empleados van desde la fundición en arena—para dados grandes que pesan muchas toneladas— al moldeo en cáscara —para dados pequeños—. En general, se prefieren los aceros fundidos para dadosde grandes piezas, por su resistencia y tenacidad y por la facilidad con la quese puede controlar su composición, tamaño de grano y propiedades.

Según cómo solidifiquen, los dados fundidos, a diferencia de los hechos demetal forjado o laminado, pueden no poseer propiedades direccionales; puedenpresentar las mismas propiedades en todas sus superficies de trabajo; sin em-bargo, debido a la contracción, puede dificultarse el control de las toleranciasdimensionales en ellas, en comparación con los dados maquinados.

Lo más común es que los dados se maquinen a partir de bloques forjados,con procesos como fresado, torneado, rectificado, maquinado eléctrico y elec-troquímico. En forma característica, un dado para operaciones de trabajo encaliente se maquina fresándolo en máquinas controladas por computadora y queusan distintos programas. Puede ser difícil el maquinado cuando los materialesson de alta resistencia y con resistencia al desgaste, que cuando son duros oestán tratados térmicamente.

Las operaciones pueden durar mucho tiempo. Por eso se usan mucho proce-sos no tradicionales de maquinado, en especial para dados pequeños o medianos.

Para mejorar la dureza, resistencia al desgaste y resistencia en general, losaceros para dados se tratan térmicamente en la mayor parte de los casos. Un maltratamiento térmico es una de las causas más comunes de fallos en los dados. Eltratamiento térmico los puede distorsionar por acción de cambios microestruc-turales y por ciclos térmicos no uniformes. La condición y la composición de lassuperficies del dado tienen especial importancia.

Después del tratamiento térmico, los dados se someten a operaciones deacabado tales como rectificado, pulido y procesos químicos y eléctricos, paraobtener el acabado y la precisión dimensional requeridos. El proceso de recti-ficado, si no se controla bien, puede causar daños en la superficie, debidos alcalor excesivo, y puede inducir esfuerzos residuales de tensión en la superficiedel dado que reducen su vida a la fatiga. Las rayaduras en la superficie de undado pueden actuar como concentrador de esfuerzos.

7.11. Fallos en los dados

Los fallos y defectos en los dados en las operaciones de manufactura sedeben, en general, a una o más de las causas siguientes: diseño inadecuado;defectos del material; tratamiento térmico y operaciones de acabado inadecua-dos; sobrecalentamiento y agrietamiento térmico; desgaste excesivo; sobrepeso(carga); mal uso; y manejo inadecuado. A continuación se describen algunos deestos factores.

El diseño adecuado de los dados es tan importante como la adecuada selec-ción de sus materiales. Para resistir las fuerzas en los procesos de manufactura,un dado debe tener secciones transversales y holguras adecuadas. Las esquinas

84 7.12. La economía del forjado

agudas, los radios y los biseles, así como los cambios abruptos en la seccióntransversal, funcionan como concentradores de esfuerzos y pueden tener efectosnegativos sobre la vida del dado. Los dados se pueden hacer en segmentos ypretensarse durante el ensamblado para mejorar su resistencia.

El manejo, instalación, ensamblaje y alineamiento adecuado de los dadosson esenciales. La sobrecarga de herramientas y dados puede causar fallos pre-maturos. Por ejemplo, una causa común de fallo de los dados para extrusiónen frío es que el operador de un robot no quite una pieza formada con el dadoantes de cargarla con otra pieza bruta.

A pesar de su dureza y resistencia a la abrasión, materiales para dadotales como los carburos y el diamante son susceptibles al agrietamiento y elrebabeo debido a fuerzas de impacto, o por esfuerzos térmicos causados porgradientes de temperatura en el interior. Hasta los fluidos de trabajo puedenafectar negativamente a los materiales para herramienta y dado. Por ejemplo,los aditivos con azufre y cloro en los lubricantes y enfriadores pueden lixiviar elaglutinante de cobalto en el carburo de tungsteno y disminuir así su resistenciay tenacidad.

Aun cuando se fabriquen en forma correcta, los dados se someten a grandesesfuerzos y altas temperaturas durante su empleo, factores éstos que puedencausar desgaste y, en consecuencia, cambios de forma. El desgaste de los dadoses importante, porque cuando cambia su forma, las piezas producidas, a su vez,tendrán dimensiones incorrectas.

Durante su empleo, los dados también pueden sufrir agrietamiento térmico,debido a ciclos térmicos, en especial en la fundición en dados. Para reducir elagrietamiento térmico y la rotura eventual en operaciones de trabajo en caliente,se suelen precalentar los dados a temperaturas entre 1500 y 2500◦. Los dadosagrietados o desgastados se pueden reparar con técnicas de soldadura y de de-pósito de metal. Por último, se pueden diseñar y fabricar dados con insertos quese puedan reemplazar cuando se desgasten o se agrieten.

7.12. La economía del forjado

La relación entre el costo del material y el costo total de forjar la piezaaumenta con el peso del material forjado; mientras más costoso sea el material,la relación de su costo con respecto al costo total será mayor. Como se debenfabricar dados y se deben efectuar las operaciones de forjado independientementedel tamaño de la pieza, el costo de los dados y de la operación de forjado enrelación con el costo del material es grande para piezas pequeñas y, a la inversa,los costos de material son relativamente bajos.

A medida que aumenta el tamaño de la pieza, también aumenta la fracciónde costo de material respecto al costo total, pero con una rapidez menor. Estose debe, en primer lugar, a que el aumento paulatino en el costo de los dados esrelativamente pequeño; en segundo lugar, a que la maquinaria y las operacionesque intervienen son casi iguales e independientes del tamaño de la pieza; y en


tercer lugar, a que la cantidad de mano de obra por pieza no aumenta tanto. Elcosto total de una operación de forjado no viene influida de forma significativapor el tipo de materiales que se forjan.

En general, los costos de mano de obra del forjado son moderados; se hanreducido en forma apreciable mediante operaciones automatizadas y controladaspor computadora. El diseño y la fabricación de los dados se realizan actualmen-te mediante técnicas de diseño y manufactura asistidas por computadora, queproducen ahorros importantes de tiempo y de esfuerzo.

Tema 8

Conformación por

deformación plástica III

8.1. Introducción

En el proceso de extrusión, una palanquilla o billet (por lo general, redonda)es forzada a pasar por una matriz o dado. Según la ductilidad del material, sepuede hacer la extrusión a temperatura ambiente o a temperatura elevada. Comose usa una cámara, cada lingote se extruye en forma individual, por lo que laextrusión es un proceso intermitente o semicontinuo.

Con frecuencia se combina la extrusión con operaciones de forjado, en cuyocaso suele llamarse extrusión en frío. Ésta tiene muchas aplicaciones importan-tes, que incluyen tornillos y componentes para automóviles, bicicletas, motoci-cletas, maquinaria pesada y equipo de transporte.

Entre los productos característicos de la extrusión están los rieles para puer-tas correderas, tubos de distintos perfiles transversales, perfiles estructurales yarquitectónicos y marcos para puertas y ventanas. Los productos extruidos sepueden cortar en tramos, con lo que se transforman en piezas discretas comosoportes, engranajes y perchas. Los materiales que se extruyen con frecuenciason el aluminio, cobre, acero, magnesio y plomo —los tubos de plomo ya sefabricaban mediante extrusión en el siglo xviii—.

El estirado es una operación cuyos orígenes se remontan a la Baja EdadMedia y en la cual se reduce o se cambia la sección transversal de varillas, alam-bre o tubos jalándolos a través de una matriz o dado. Las varillas estiradas seusan en ejes, husillos y pistones pequeños, y como materia prima para elementosde sujeción tales como remaches, pernos y tornillos. Además de las varillas re-dondas también se pueden estirar distintos perfiles. El término estirado tambiénse usa para indicar la fabricación de piezas cóncavas mediante operaciones deconformado de láminas.

La diferencia entre los términos varilla y alambre es algo arbitraria; lasvarillas son iguales que los alambres, pero poseen mayor sección transversal. En

88 8.2. El proceso de extrusión

la industria se suele definir a un alambre como una varilla que se ha estirado através de un dado cuanto menos una vez. El estirado de alambres, o trefilado,maneja diámetros menores que el estirado de varillas, y los tamaños bajan hasta0,01 mm de diámetro para los alambres magnéticos, o menores aún para losfusibles de muy baja corriente.

8.2. El proceso de extrusión

En el proceso básico de extrusión, llamado extrusión directa o en avance,una palanquilla redonda se coloca en una cámara (recipiente) y es impulsadoa través de la abertura de una matriz mediante un pistón hidráulico o arietede prensa. La abertura del dado puede ser redonda o tener otras formas. Hayotras clases de extrusión, como la indirecta, la hidrostática y la de impacto. Enla extrusión indirecta —también llamada en reversa o invertida—, el dado semueve hacia la palanquilla.

En la extrusión hidrostática, la palanquilla posee menor diámetro que lacámara, que se llena con un fluido; la presión se transmite a la palanquillamediante un ariete. A diferencia de la extrusión directa, no hay que superarninguna fricción a lo largo de las paredes del muelle. Otro tipo de extrusión esla lateral.

Un parámetro que describe la forma del producto extruido es el diámetrodel círculo circunscrito (dcc), que se define como el diámetro del círculo másgrande que cabe en el perfil extruido. Así, para un perfil cuadrado el dcc es lalongitud de su diagonal. La complejidad de la extrusión es función de la relacióndel perímetro del producto extruido entre su área transversal, y recibe el nombrede factor de forma.

8.2.1. Fuerza de extrusión

La fuerza que se requiere en la extrusión depende de la resistencia del ma-terial de la palanquilla, la relación de extrusión, el cociente entre las superficiesde la palanquilla y la cámara, y de variables de proceso como la temperatura dela palanquilla y la velocidad de extrusión. La fuerza de extrusión, F , se calculacon la fórmula:

F = A0k ln

(

A0

Af

)

,

donde k es la constante de extrusión y A0 y Af son las áreas transversales dela palanquilla y el producto, respectivamente.

8.2.2. Flujo del metal en la extrusión

Es importante el patrón de líneas de flujo del metal en la extrusión, aligual que en otros procesos de conformado, por su influencia sobre la calidad

8. Conformación por deformación plástica III 89

y las propiedades mecánicas del producto final. El material fluye en sentidolongitudinal, en forma muy similar a la del flujo de un fluido incompresible porun canal; así, los productos extruidos poseen una estructura de grano alargada(orientación preferencial).

Una técnica que es común en la investigación del patrón de líneas de flujoes cortar la palanquilla redonda a la mitad, a lo largo, para marcar una cara conuna red de cuadros. Se ponen las dos mitades de la cámara juntas y se extruyen.En las zonas muertas del metal, el metal es esencialmente estacionario. Es similaral remanso del flujo de un fluido en canales con vueltas repentinas.

8.3. Práctica de la extrusión

Por tener la ductilidad suficiente, el aluminio, cobre, magnesio y sus alea-ciones, y los aceros y aceros inoxidables se extruyen con relativa facilidad, paraobtener muchas formas. Se pueden extruir otros metales, como titanio y losmetales refractarios, pero sólo con dificultades y gran desgaste de los dados.

Las relaciones R de extrusión van de 10 a 100, aproximadamente. Puedenllegar a ser mayores (400) en aplicaciones especiales, o menores para los mate-riales menos dúctiles, aunque por lo general deben ser de 4, como mínimo, paralograr que el material fluya en forma plástica por toda la pieza. Los productosextruidos tienen casi siempre menos de 7,5 m de longitud, por la dificultad demanejar tramos más grandes, que pueden ser hasta de 30 m.

Los diámetros de círculo circunscrito para el aluminio van de 6 mm a 1 m;la mayor parte son menores que 0,25 m. Debido a las grandes fuerzas necesarias,el dcc máximo para el acero se limita normalmente a 0,15 m.

Las velocidades del ariete de compresión llegan 0,5 m/s. En general, se pre-fieren velocidades menores para el aluminio, magnesio y cobre, y las velocidadesmayores para loas aceros, el titanio y las aleaciones refractarias.

La mayor parte de los productos extruidos, en especial los de secciones trans-versales reducidas, requieren enderezado y torcido. Estas operaciones se logranestirando el producto extruido, por lo general en una enderezadora hidráulicacon mordazas. En la extrusión, las tolerancias dimensionales suelen estar en elrango de ±0,25 mm hasta ±2,5 mm, y aumentan al aumentar el área transversal.

La presencia de un ángulo en el dado hace que una pequeña pieza del ex-tremo de la palanquilla quede en la cámara después de haber terminado laoperación. Esta parte, llamada recorte o extremo final, es eliminada despren-diendo o cortando la extrusión a la salida del dado. También se puede ponerotro lingote o un bloque de grafito en la cámara para extruir la pieza que quedade la extrusión anterior.

En la extrusión coaxial o de revestimiento, se extruyen conjuntos coaxiales,siempre y cuando la resistencia y la ductilidad de los dos metales sean compati-bles. Un ejemplo es el del cobre revestido con plata. Las extrusiones escalonadas

90 8.4. Extrusión en caliente

se producen extruyendo parcialmente el lingote en un dado y después en unao más matrices o dados mayores. La extrusión lateral se emplea para forraralambres y recubrir los conductores eléctricos con plástico.

Aunque se trata de un proceso intermitente o semicontinuo, puede ser eco-nómico con grandes series de producción, al igual que con series pequeñas.

8.4. Extrusión en caliente

Para los metales y aleaciones que no tienen ductilidad suficiente a tempe-ratura ambiente, la extrusión se hace a temperaturas elevadas para reducir lasfuerzas requeridas. Como en todas las demás operaciones de trabajo en calien-te, la extrusión en caliente tiene sus requisitos especiales, debidos a las altastemperaturas de operación.

Por ejemplo, puede ser excesivo el desgaste del dado, y ser problemático elenfriamiento de la palanquilla caliente en la cámara, lo que causa alta defor-mación no uniforme. Para reducir el enfriamiento y prolongar la vida del dado,pueden precalentarse los dados de extrusión, como se hace en las operacionesde forja en caliente.

Como la palanquilla está caliente se forma sobre ella una capa de óxido, amenos que se caliente en un horno con atmósfera inerte. Esta película puedeser abrasiva y puede afectar el patrón de líneas de flujo del material. Tambiéncausa un producto extruido que puede no ser aceptable, en los casos en que elbuen acabado superficial sea importante.

Para evitar la formación de películas de óxido sobre el producto extruidocaliente, se hace que el bloque de apoyo que se coloca frente al ariete de compre-sión tenga un diámetro un poco menor que la cámara. En consecuencia, en lacámara queda una cáscara cilíndrica delgada (costra), formada principalmentepor la capa oxidada. Así, el producto extruido queda libre de óxidos.

8.4.1. Diseño y materiales de las matrices o dados

El tubo se extruye a partir de una palanquilla sólida, o hueco, para alcanzarespesores de pared tan pequeños como 1 mm. Para las palanquillas sólidas,el ariete es ajustado con un mandril que perfora el taco. También se puedenextruir de este modo tacos o lingotes con un orificio previamente perforado.Por la fricción y la severidad de la deformación, son más difíciles de producirlas extrusiones de paredes delgadas que las de paredes gruesas. En general, elespesor de la pared se limita a 1 mm en el aluminio, a 3 mm en los aceros alcarbono y a 5 mm en los aceros inoxidables.

Los perfiles huecos se pueden extruir con métodos de cámara de soldaduray usando dados conocidos como dados tipo araña, dados de tipo ojo de buey ydados tipo puente. Durante la extrusión, el metal se divide y fluye en torno a lossoportes del mandril interno, formando bandas. Esas bandas se vuelven a soldar


por las grandes presiones en la cámara de soldadura, antes de salir por el dado.

El proceso de cámara de soldadura sólo es adecuado para el aluminio yalgunas de sus aleaciones, por su capacidad de formar una soldadura resistentebajo presión. No se pueden usar lubricantes, porque evitan el soldado del metalen el dado.

8.4.2. Materiales y lubricación de los dados

Los materiales del dado para extrusión en caliente suelen ser aceros paratrabajo en caliente. Se pueden recubrir los dados con materiales tales como circo-nio para prolongar su vida. También se emplean dados de circonio parcialmenteestabilizado en la extrusión de tubos y varillas en caliente; sin embargo, no seprestan para hacer dados de extrusión de formas complicadas, por los grandesgradientes de esfuerzos que se desarrollan en ellas.

La lubricación es importante en la extrusión en caliente. El vidrio es unlubricante excelente para los aceros, aceros inoxidables, y metales y aleacionespara alta temperatura. En un proceso desarrollado en la década de 1940, de-nominado proceso Séjournet en honor a J. Séjournet, se coloca una placacircular de vidrio en la entrada del dado, en la cámara. La palanquilla calientelleva el calor a la placa de vidrio, que actúa como depósito de vidrio fundido ylubrica la interfase del dado a medida que avanza la extrusión. Antes de ponerla palanquilla en la cámara, se recubre su superficie cilíndrica con una capade vidrio en polvo para proporcionar el lubricante en la interfase entre él y lacámara.

Para metales con tendencia a pegarse a la cámara y al dado, la palanquillase puede encerrar en un recipiente de pared delgada hecho de un metal mássuave y de menor resistencia, como cobre o acero suave. A este proceso se ledenomina enchaquetado o enlatado. Además de formar una interfase con bajafricción, esta chaqueta evita la contaminación del lingote por el ambiente —o,si el material del lingote es tóxico o radiactivo, la chaqueta evita que contamineel ambiente.

8.5. Extrusión en frío

La extrusión en frío fue desarrollada en la década de 1940, y es un térmi-no que con frecuencia indica una combinación de operaciones, como extrusióndirecta e indirecta y forjado. La extrusión en frío ha logrado gran aceptaciónen la industria, en especial para herramientas y piezas o partes de automóviles,motocicletas, bicicletas, electrodomésticos y equipo de transporte y agrícola.

En este proceso se usan tramos de material que tienen menos de 40 mm dediámetro, se cortan y sus extremos se escuadran por rectificado o batido. Losmateriales de gran diámetro se maquinan partiendo de barras, formando tramosespecíficos. Se han fabricado piezas que pesan hasta 45 kg, con longitudes de

92 8.6. Extrusión por impacto

hasta 2 m, aunque la mayor parte de las piezas extruidas en frío pesan muchomenos. También se extruyen en frío tramos de metal en polvo (preformas).

La extrusión en frío tiene las siguientes ventajas sobre la extrusión en ca-liente:

– Mejores propiedades mecánicas, debido al endurecimiento por el trabaja-do, siempre que el calor generado por la deformación plástica y la fricciónno haga recristalizar el metal extruido.

– Buen control de tolerancias dimensionales, reduciendo la necesidad de ope-raciones posteriores de maquinado o acabado.

– Mejor acabado superficial, en parte debido a carencia de una capa deóxido, siempre y cuando la lubricación sea efectiva.

– Eliminación de la necesidad de calentar la palanquilla.

– Capacidades y costos de producción que son competitivos con los de otrosmétodos para producir la misma pieza. Algunas máquinas son capaces deproducir más de 2000 piezas por hora.

Sin embargo, la magnitud de los esfuerzos sobre las herramientas en laextrusión en frío es muy grande, en especial con las piezas de acero; es del ordende la dureza del material de la pieza. La dureza de los punzones suele estar entre60 y 65 hrc, la de los dados entre 58 y 62 hrc.

La lubricación es crítica, en especial para los aceros, por la probabilidad deque se peguen a la herramienta si la lubricación falla. El método más efectivo delubricación es la aplicación de una capa fosfatada modificada en la pieza, seguidade una capa de jabón o de cera.

8.6. Extrusión por impacto

La extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta; con frecuencia seincluye en la categoría de la extrusión en frío. El punzón desciende rápidamentesobre la pieza bruta, que se extruye hacia atrás. Debido a la constancia delvolumen, el espesor de la sección tubular extruida es función de la holgura entreel punzón y la cavidad del dado.

El diámetro de las piezas fabricadas puede llegar a 150 mm. Los procesosde extrusión por impacto pueden producir secciones tubulares de paredes del-gadas, que tengan relaciones de espesor-diámetro tan pequeñas como 0,005. Enconsecuencia, la simetría de la pieza y la concentricidad entre punzón y piezabruta son importantes.


8.7. Extrusión hidrostática

En la extrusión hidrostática, la presión necesaria para la extrusión se su-ministra a través de un fluido incompresible que rodee a la palanquilla. Enconsecuencia, no hay fricción entre la cámara y la pared. Las presiones suelenser del orden de 1400 MPa. La alta presión en la cámara transmite algo delfluido a las superficies de la matriz, donde reduce en forma apreciable la presióny las fuerzas.

La extrusión hidrostática, desarrollada a principios de la década del cincuen-ta, fue mejorada extruyendo la pieza a una segunda cámara, a presión más bajaque la primera (extrusión de fluido a fluido). Debido al ambiente en compresión,esta operación reduce los defectos del producto extruido.

La extrusión hidrostática se suele hacer a temperatura ambiente, en formacaracterística con aceites vegetales —en especial aceite de ricino, por ser buenlubricante y porque su viscosidad no se ve afectada por la presión en gradoapreciable—. Para extrusiones a alta temperatura se usan ceras, polímeros yvidrio como fluidos. Esos materiales también sirven como aislantes térmicos, yayudan a mantener la temperatura del lingote durante la extrusión.

Con este método se pueden extruir bien los materiales frágiles, porque lapresión hidrostática hace aumentar la ductilidad del material. Sin embargo, lasrazones principales de su éxito parecen ser la baja fricción y el uso de pequeñosángulos en el dado, y las altas relaciones de extrusión.

A pesar del éxito obtenido, la extrusión hidrostática ha tenido aplicacionesindustriales limitadas, por la naturaleza algo compleja de la herramienta, laexperiencia necesaria con altas presiones y el diseño de equipo personalizado,así como el largo tiempo en los ciclos requeridos.

8.8. Defectos de las extrusiones

De acuerdo con la condición del material y las variables del proceso, los pro-ductos extruidos pueden desarrollar varios defectos que pueden afectar en formaapreciable su resistencia y su calidad. Algunos defectos son visibles a simple vis-ta; otros sólo se pueden descubrir con técnicas especiales. Hay tres defectosde extrusión principales: agrietamiento de la superficie, tubos y agrietamientointerno.

Agrietamiento de la superficie Si la temperatura, la fricción o la velocidadde extrusión es demasiado alta, las temperaturas superficiales suben de formaapreciable, y esta condición puede causar agrietamientos y desgarramiento dela superficie (grietas tipo abeto o agrietamiento a alta velocidad). Esas grietasson intergranulares y suelen deberse a la fragilidad en caliente. Estos defectossuceden en especial con aleaciones de aluminio, magnesio y cinc, aunque tam-bién pueden presentarse en aleaciones para alta temperatura. Lo anterior puede

94 8.9. Equipo para extrusión

evitarse bajando la temperatura del lingote y la velocidad de extrusión.

También puede haber agrietamiento superficial a temperaturas menores, loque se ha atribuido a adhesión periódica del producto extruido a lo largo de lacara del dado. Cuando el producto que se extruye se pega a la cara del dado, lapresión de extrusión aumenta rápidamente. Poco después, el producto avanza denuevo y se descarga la presión. El ciclo se repite en forma continua y se producengrietas periódicas circulares en la superficie. Por la apariencia de estas grietas,se denominan defecto de bambú.

Tubo El patrón de flujo característico de la extrusión tiende a desplazar óxidose impurezas superficiales hacia el centro del lingote, casi como un embudo. Estedefecto se denomina defecto tubo, y también tubo de escape o cola de pescado.Hasta la tercera parte de la longitud del producto extruido puede contener estedefecto, y debe cortarse y desecharse.

El tubo se puede reducir al mínimo modificando el patrón de línea de flujopara formar una más uniforme; por ejemplo, controlando la fricción y minimi-zando los gradientes de temperatura. Otro método es maquinar la superficiede la palanquilla antes de la extrusión, para eliminar la costra y las impurezassuperficiales. También se pueden quitar las impurezas superficiales por ataquequímico de los óxidos superficiales, antes de la extrusión.

Agrietamiento interno El centro del producto extruido puede desarrollar grie-tas, que tienen diversos nombres: grieta central, reventón central, fractura enforma de punta de flecha o fractura tipo Chevron. Se atribuyen estas grietas aun estado de esfuerzo de tensión hidrostática en la línea central, en la zona dedeformación del dado. La tendencia al agrietamiento central aumenta al incre-mentarse el ángulo del dado y la concentración de impurezas, y disminuye alaumentar la relación entre la extrusión y la fricción.

8.9. Equipo para extrusión

El equipo básico para extrusión es una prensa hidráulica horizontal. Esasprensas son adecuadas para la extrusión porque se puede controlar la carreray la velocidad de la operación. Pueden aplicar una fuerza constante duranteuna carrera larga, y en consecuencia se puede usar la palanquilla larga paraaumentar la capacidad de producción. Se han construido prensas hidráulicascon una fuerza en el ariete de hasta 120 MN, que se emplean para la extrusiónde grandes palanquillas en caliente.

En general, se usan prensas hidráulicas verticales para la extrusión en frío.Suelen ser de menor capacidad que las que se usan para la extrusión en caliente,pero ocupan menos espacio de piso. Además, también se han usado prensas me-cánicas de cigüeñal y de rótula para extrusión en frío y extrusión de impacto, enla producción en masa de pequeños componentes. En prensas de diseño especial


se hacen operaciones en varios pasos, donde el área transversal se va reduciendoen varias operaciones.

8.10. El proceso de estirado

En el estirado o trefilado, la sección transversal de una barra o alambreredondos se reducen o cambian pasándolos a través de un dado o matriz. Lasvariables principales en el estirado se parecen a las de la extrusión: reducción deárea transversal, ángulo del dado, fricción a lo largo de la interfase dado-piezay velocidad de estirado. El ángulo del dado influye sobre la fuerza de estirado yla calidad del producto.

Se puede demostrar que, para cierta reducción de diámetro y cierta condi-ción de fricción, existe un ángulo óptimo de dado con el cual es mínima la fuerzade estirado. Sin embargo, estos cálculos no quieren decir que se deba hacer elproceso con este ángulo «óptimo», porque hay otras consideraciones que tienenque ver con la calidad del producto.

Fuerza de estirado La ecuación para calcular la fuerza de estiramiento bajocondiciones sin fricción se parece a la de la extrusión; es la siguiente:

F = YmAf ln

(

A0

Af

)

,

donde Ym es el esfuerzo real promedio del material en el hueco del dado. Comohay que efectuar más trabajo para contrarrestar la fricción, la fuerza aumentaal incrementar la fricción.

Al aumentar la reducción aumenta la fuerza de estirado. Sin embargo, debehaber un límite de la magnitud de esa fuerza, porque cuando el esfuerzo detensión debido a la fuerza de estirado llega al esfuerzo de fluencia del materialque se estira, simplemente la pieza cedería y, al final, se rompería. Se puededemostrar que, en el caso ideal, la reducción máxima en área transversal porpaso es del 63 %.

Estirado de otras formas Se pueden producir diversos perfiles sólidos estiran-do a través de dados con distintos perfiles. La sección transversal inicial sueleser redonda o cuadrada. El espesor de la pared, el diámetro o la forma de lostubos que se producen por extrusión o con otros métodos se pueden reducir másmediante los procesos de estirado de tubos. Con estas técnicas se pueden esti-rar tubos hasta de 0,3 m de diámetro. Para estas operaciones hay disponiblesmandriles de distintos perfiles.

Para estirar bandas planas o cintas se usan matrices en forma de cuña. Esteproceso no tiene mucha importancia industrial, aunque es el proceso fundamen-tal en el planchado (ironing), que se usa ampliamente para fabricar latas dealuminio para bebidas.

96 8.11. Práctica del estirado

8.11. Práctica del estirado

Como en todos los procesos de trabajo de metales, las buenas operacionesde estirado requieren una selección cuidadosa de los parámetros del proceso,y tener en cuenta muchos factores. Las velocidades de estirado dependen delmaterial y de la reducción del área transversal; pueden ir desde 1 a 2,5 m/spara secciones pesadas, y hasta 50 m/s para alambre muy delgado, como el quese usa en los electroimanes. Puesto que el producto no tiene tiempo suficientepara disipar el calor que se genera, las temperaturas pueden subir bastante y lasaltas velocidades de estirado pueden tener efectos perjudiciales sobre la calidaddel producto.

Las reducciones en área transversal por paso van desde cerca de cero hastaun 45 por ciento; por lo general, mientras menor sea la sección transversal inicial,la reducción por paso será menor. Los alambres finos se suelen estirar con 15a 22 % de reducción por paso, y los de calibres mayores, con 20 a 45 %. Si lasreducciones son mayores del 45 %, pueden causar la rotura del lubricante y eldeterioro consecuente del acabado superficial. El estirado de secciones sólidas ohuecas grandes se puede hacer a temperaturas elevadas.

Una reducción pequeña, llamada pase de dimensionamiento se puede haceren barras para mejorar el acabado superficial y la precisión dimensional. Sinembargo, como deforman sólo las capas superficiales, las reducciones pequeñasproducen deformaciones con poca uniformidad en el material y su microestruc-tura. En consecuencia, las propiedades del material varían en toda la seccióntransversal.

Debido al endurecimiento por el trabajo, podría necesitarse recocido inter-medio entre los pases, para mantener la ductilidad suficiente durante el estiradoen frío. Los alambres de cobre y latón estirados se especifican por su temple,como por ejemplo 1

4duro, 1

2duro, etcétera.

Los alambres de acero al alto carbono para resortes e instrumentos musica-les se fabrican mediante tratamiento térmico (patentado) del alambre estirado;la microestructura que así se obtiene es perlita fina. Estos alambres tienen re-sistencias últimas a la tensión de hasta 5 GPa, y la reducción de su área portensión es de un 20 %.

Estirado múltiple Aunque se puede producir alambre muy delgado con el es-tirado, el costo puede ser grande. Un método para aumentar la productividades estirar muchos alambres (hasta varios cientos) al mismo tiempo, como unmanojo. Los alambres se separan entre sí mediante un material metálico ade-cuado con propiedades parecidas, pero menor resistencia química, para poderdisolverlo y eliminarlo de las superficies del alambre ya estirado.

El proceso múltiple produce alambres de sección transversal poligonal enlugar de redondas. Además de los tramos continuos, se han desarrollado técnicaspara producir alambres finos que se separan en distintos tamaños y formas. Losalambres producidos pueden tener diámetros de sólo 4 mm; pueden fabricar-se con materiales tales como aceros inoxidables, titanio y aleaciones para alta


temperatura. Entre sus aplicaciones están los plásticos electroconductores, tex-tiles resistentes al calor y electroconductores, medios filtrantes, camuflaje contraradar e implantes médicos.

8.11.1. Diseño de dados

Veamos algunas de las propiedades características de un dado para estirar.Los ángulos van de 6 a 15◦. En un dado normal existen, sin embargo, dosángulos: el de entrada y el de aproximación. El diseño básico de este tipo dedado se desarrolló tras años de tanteos. El objeto de la superficie de cargaes ajustar el diámetro definitivo del producto (dimensionamiento). También,cuando se rectifica un dado gastado, la cara mantiene la dimensión de salida dela abertura del dado.

Se requiere un conjunto de dados para el estirado del perfil, para distintasetapas de deformación. Los dados pueden ser de una pieza o, según la com-plejidad de la sección transversal del perfil, tener varios segmentos unidos enun anillo. Se están implementando técnicas de diseño asistido por computadorapara diseñar los dados para que el flujo de material por un dado sea uniforme,y para minimizar los defectos.

Asimismo, pera estirar varillas o barras de distintas formas, se usa un con-junto de rodillos «locos», cilindros sin carga o conformados. Este arreglo (lla-mado cabeza de turco) es más versátil que las matrices ordinarias de estirado,porque los rodillos se pueden ajustar en distintas posiciones y ángulos.

8.11.2. Materiales para dados

Los materiales para las matrices o dados para estirado suelen ser aceros paraherramienta y carburos; los dados de diamante se usan para la fabricación dealambre delgado. Para tener mejor resistencia al desgaste, las matrices de acerose pueden cromar y las de carburo se pueden recubrir con nitruro de titanio.Los mandriles para estirar tubo son, en general, de aceros grado herramientaendurecidos o de carburos.

Las matrices o dados de diamante se usan para estirar alambre fino, condiámetros de 2 µm a 1,5 mm. Pueden ser de diamante monocristalino o de formapolicristalina, donde las partículas de diamante estén en una matriz metálica(compactos). Por su costo y falta de resistencia a la tensión y tenacidad, losdados de carburo y de diamante se usan en forma de insertos o pastillas, soste-nidas en una pieza de acero fundido. Para el estirado en caliente se usan dadosde acero fundido por su alta resistencia al desgaste a temperaturas elevadas.

8.11.3. Lubricación

Es esencial la lubricación adecuada en el estirado para mejorar la vida deldado, reducir las fuerzas y la temperatura en el proceso y mejorar el acabado

98 8.12. Defectos y esfuerzos residuales

superficial. En el estiramiento de tubos, la lubricación es especialmente críti-ca, por la dificultad de mantener una capa de lubricante del grosor apropiadoen el contacto entre mandril y tubo. Las clases básicas de lubricación son lassiguientes:

– Estirado en húmedo. Los dados y la varilla se sumergen por completo enel lubricante, que normalmente está formado por aceites y emulsiones conaditivos grasos o clorados, y diversos compuestos químicos.

– Estirado en seco. La superficie de la varilla por estirar se recubre con unlubricante —como, por ejemplo, jabón—, haciéndola pasar por una cajallena de éste —caja de aditivo—.

– Recubrimiento. La varilla o el alambre se cubre con un metal suave quefunciona como lubricante sólido. Por ejemplo, el cobre o el estaño se puedendepositar químicamente sobre la superficie del metal para servir a estepropósito.

– Vibración ultrasónica de dados y mandriles. Esta técnica se ha empleadocon éxito para reducir la fricción al estirar secciones sólidas o huecas, asícomo en otros procesos de trabajo con metales.

8.12. Defectos y esfuerzos residuales

Los defectos normales en las varillas y alambres estirados son parecidosa los que se observan en la extrusión, en especial el agrietamiento del centro.Otra clase de defectos en el estirado es el traslapes o seams, que son rayaduraso pliegues longitudinales del material. Las costuras pueden abrirse durante lasoperaciones siguientes de conformado, como por ejemplo el recalcado, cabeceado,laminado de cuerdas o doblado de la varilla o el alambre, y pueden causargraves problemas de control de calidad en la producción. Existen otros defectossuperficiales, como rayas y marcas de dado, que pueden resultar de la seleccióninapropiada de los parámetros del proceso de estirado, mala lubricación o malestado de las matrices.

Como los productos estirados en frío sufren deformación no uniforme du-rante el estirado, suelen tener esfuerzos residuales. En las reducciones pequeñas,de algunos puntos porcentuales, los esfuerzos superficiales longitudinales resi-duales son de compresión, mientras que el centro está en tensión; de este modose mejora la vida de fatiga. Al revés, las reducciones mayores inducen esfuerzossuperficiales de tensión, mientras que el núcleo está en compresión. Los esfuerzosresiduales pueden ser de importancia en el origen del agrietamiento de la pie-za, con el paso del tiempo, debido al agrietamiento por corrosión bajo tensión.Es más, causan que el componente se tuerza si se quita después una capa dematerial, como en el ranurado, maquinado o rectificado.

Las varillas y los tubos que no son suficientemente rectos —o que se su-ministran en rollo— se pueden enderezar pasándolos por una serie de rodillosinstalados con distintos ejes. Los rodillos someten al producto a una serie de


operaciones de doblado y desdoblado, un proceso similar a la nivelación conrodillos.

8.13. Equipo de estirado

Aunque tiene diversos diseños, el equipo de estirado presenta dos tipologíasbásicas: banco de estirado e hilera (conjunto a cuatro cabrestantes).

Un banco de estirado contiene un solo dado y su diseño se parece a una má-quina larga, horizontal, de pruebas de tensión. La fuerza de tracción se obtienede una cadena o se activa hidráulicamente. Los bancos de estirado se usan paraestirar tramos de varillas y tubos rectos con diámetros mayores de 20 mm. Lostramos pueden ser de hasta 30 m. Las capacidades de las máquinas llegan hasta1,3 MN de fuerza de tracción, con un intervalo de velocidades de 6 a 60 m/min.

Las varillas y alambres muy largos (de muchos kilómetros) y los alambres demenores secciones transversales (menores de 13 mm) se estiran con un tambor ocabrestante rotatorio. La tensión en este conjunto suministra la fuerza necesariapara estirar el alambre, por lo general a través de varios dados.

Tema 9

Procesos de conformado de

chapa

9.1. Introducción

El conformado de lámina data de cinco milenios antes de nuestra era, cuan-do se fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado deoro, plata y cobre.

En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las pie-zas de metal laminado tienen la ventaja del poco peso y la forma versátil. Porsu bajo coste y sus buenas características generales de resistencia y facilidad deconformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma lámina que más seusa. Para aplicaciones en aviones y naves espaciales, los materiales laminadosnormales son el aluminio y el titanio.

9.2. Cizalladura

Antes de fabricar una pieza de lámina metálica, se saca una pieza brutade dimensiones adecuadas a partir de una lámina grande —por lo general unrollo— mediante la cizalladura, el corte o el repujado; esto es, la hoja se cortasometiéndola a esfuerzos cortantes, en forma característica los que se desarrollanentre un dado o matriz. Los bordes no quedan lisos, ni son, por lo general,perpendiculares al plano de la lámina.

Normalmente, el corte comienza con la formación de grietas en los bordessuperior e inferior de la pieza. Estas grietas eventualmente se encuentran entresí, al final, y se produce la separación. Las superficies de fractura burdas sedeben a esas grietas; las superficies bruñidas (endurecidas), lisas y brillantes, enel orificio y en el trozo de material se deben al contacto y frotamiento del bordecizallado contra las paredes del punzón y el dado.

Los parámetros principales de procesamiento en el corte son la forma y los

102 9.2. Cizalladura

materiales del punzón y el dado, la velocidad del punzonado, la lubricación y laholgura entre el punzón y el dado. La holgura es uno de los factores principalesen la determinación de la forma y la calidad del borde cortado. Al aumentar laholgura, el borde cortado se vuelve más burdo y se agranda la zona de deforma-ción. La lámina tiende a ser jalada hacia la zona de holgura y los bordes de lazona de corte se hacen más burdos. A menos que tales bordes se puedan aceptartal como se producen, se requerirán operaciones secundarias para alisarlas.

La relación de las zonas bruñidas a burdas en el borde cizallado aumenta alincrementarse la ductilidad del material laminado, y disminuye cuando aumentael espesor de la lámina y la holgura. El ancho de la zona de deformación dependede la velocidad del punzón. Con el aumento de la velocidad, el calor generadopor la deformación plástica se confina en áreas cada vez más pequeñas; en con-secuencia, la zona cizallada es más angosta y la superficie más lisa, y muestramenos formación de rebabas.

La altura de las rebabas se incrementa al aumentar la holgura y la ductilidadde la lámina metálica. Los bordes desafilados de la herramienta contribuyen engran medida a la formación de rebabas.

Se ha visto que la calidad de los bordes mejora al aumentar la velocidaddel punzón; esas velocidades pueden llegar a ser de 10 a 12 m/s. Los bordescizallados pueden sobrellevar diversas operaciones de trabajo en frío, a causa delas grandes deformaciones por corte a las que se someten. El endurecimiento portrabajo en frío que resulta puede afectar de forma adversa a la conformabilidadde la lámina durante las operaciones subsiguientes.

9.2.1. Fuerza del punzón

La fuerza que se requiere para punzonar es, básicamente, el producto por laresistencia al corte de la lámina metálica por el área que está siendo cortada. Sinembargo, la fricción entre el punzón y la pieza puede aumentar en gran medidadicha fuerza. La fuerza máxima del punzón, F , se puede estimar con la ecuación:

F = 0,7 · TL · UTS,

donde T es el espesor de la lámina, L la longitud total que se corta —el perí-metro del orificio— y UTS (Ultimate Tensil Strength) es la resistencia últimadel material. A medida que aumenta la holgura disminuye la fuerza del punzóny también se reduce el desgaste de dados y punzones.

Además de la fuerza del punzón, también se requiere una fuerza para separaral punzón de la lámina durante su golpe de retorno.

9.2.2. Operaciones de cizalladura

Existen varias operaciones que se basan en el proceso de cizalladura. Antesde describirlas, deben definirse dos términos: en el punzonado se descarta elmaterial cortado, mientras que, en la obtención de la forma bruta (blanking),

9. Procesos de conformado de chapa 103

la pieza interior es la importante y el resto es merma o desecho. Muchas de lasoperaciones que se describen en el resto del capítulo pueden efectuarse hoy día enmáquinas de control numérico computerizado, con portaherramientas de cambiorápido. Esas máquinas tienen especial utilidad en la fabricación de prototiposde piezas de lámina metálica que requieren varias operaciones.

Troquelado El troquelado consiste en un corte por medio de un dado o matriz.Se trata de un proceso de cizalladura que consta de las siguientes operaciones:perforado o punzonado de varios orificios en una lámina; partido o corte dela lámina en dos o más piezas; muescado o remoción de piezas (o de diversasformas) de los bordes, y lanceteado, que consiste en dejar una «oreja» sin quitarmaterial alguno.

Las partes producidas con estos procesos tienen varios usos, en especialpara ensamblarse con otros componentes. Las láminas perforadas, con orificiosde 1 a 75 mm, se emplean como filtros, cribas, en ventilación, como defensas demaquinaria, en amortiguamiento de ruido y para reducir peso. Se punzonan enprensas de manivela, con velocidades de hasta 300000 orificios por minuto, condados y equipo especiales.

Troquelado fino El proceso de troquelado fino, desarrollado en la década de lossesenta, implica holguras del orden del uno por ciento del espesor de la lámina,que pueden ir de 0,5 a 13 mm. Las tolerancias dimensionales son del orden de±13 mm en la mayor parte de los casos, y menores que 0,025 mm para el casode la perpendicularidad de la orilla.

La operación de troquelado fino se suele hacer en prensas hidráulicas detriple acción, donde se controlan por separado los movimientos del punzón, elcojín de presión y el dado. El proceso suele emplear una máquina con orificiosque se punzonan al mismo tiempo, con su troquelado. La dureza adecuada paralas láminas es, de forma característica, de 50 a 90 HRB.

Ranurado Se pueden hacer operaciones de corte mediante un par de hojascirculares. Las hojas siguen una línea recta o una trayectoria circular o curvada.En el caso normal, el borde de una ranura tiene una rebaba que se puede doblarplásticamente sobre la superficie de la lámina, por medio de un proceso delaminado de la hoja entre dos rodillos. Existen dos clases de equipo para ranurar.En los impulsados, las hojas se mueven mediante un sistema motriz. En los dejalar, la lámina se jala pasando por dos hojas sin carga. Las operaciones deranurado, si no se hacen bien, pueden causar diversas distorsiones en las orillaso bordes cizallados.

Reglas de acero Los metales suaves, así como el papel, el cuero y el hule,se pueden troquelar con dados o matrices de regla de acero. Consisten en unacinta delgada de acero endurecido, doblada en la forma que se va a produciry se sujeta en su orilla sobre una base plana de madera. La matriz o dado se

104 9.2. Cizalladura

comprime contra la lámina, que descansa en una superficie plana y corta lalámina a lo largo de la forma de la regla de acero.

Perforado o niblado En el perforado o niblado, una máquina llamada nibla-dora mueve hacia arriba y hacia abajo un punzón recto y pequeño, sacándoloy metiéndolo en un dado. En el espacio intermedio se alimenta una lámina yse hacen muchos orificios traslapados, como si se hiciese una ranura en el papelcon una perforadora circular. Al usar control manual se pueden cortar láminasa lo largo de cualquier trayectoria deseada. Una ventaja del niblado, además desu flexibilidad, es que se pueden producir ranuras y muestras de forma intrin-cada con punzones normales. El proceso es económico para series pequeñas deproducción porque no se requieren dados especiales.

Desechos de corte La cantidad de desechos (la pérdida por recortes) producidaen las operaciones de cizalladura puede ser apreciable; puede llegar hasta eltreinta por ciento para estampados grandes. Un factor importante en el costode manufactura son los recortes, que se pueden reducir en forma sustancial conun arreglo adecuado de los contornos en la lámina que se va a cortar (anidado).Se han desarrollado técnicas de diseño asistidas por computadora para reduciral mínimo los desechos de las operaciones de corte.

Láminas brutas soldadas a medida Consisten en dos o más piezas de láminaplana, soldadas entre sí a tope. Están adquiriendo cada vez mayor importancia,en especial en la industria de automóviles. Cada subpieza puede tener distintoespesor, materiales, recubrimiento o cualquier otra propiedad. El resultado esmayor productividad, reducción del peso de los recortes, eliminación de la ne-cesidad de puntos de soldadura posteriores en la fabricación de la carrocería ymejor control dimensional.

9.2.3. Matrices o dados de corte

Holguras Debido a que la deformabilidad de una pieza cizallada puede verseinfluida por la calidad de sus bordes cortados, es importante controlar la holguraadecuada es función del tipo de material, su temple y su espesor, así como deltamaño de la lámina en bruto y de su proximidad a los bordes de esa láminaoriginal. Como criterio general, las holguras para materiales suaves son menoresque para materiales duros. Además, mientras más gruesa es la lámina, mayordebe ser la holgura. Los orificios pequeños, en comparación con el material dela lámina, requieren mayores holguras que los orificios mayores.

Las holguras están, en general, entre el dos y el ocho por ciento del espesorde la lámina, pero pueden llegar a tener valores de entre el uno y el treinta porciento. Cuando se emplean holguras elevadas, debe prestarse atención a la rigidezy al alineamiento de las prensas, y a los dados y su preparación. Cuanto menores la holgura, la calidad de la orilla es mejor. En un proceso llamado rasurado,


el material adicional procedente de un borde cortado en bruto se elimina porrecorte.

Formas de punzón y dado Las superficies del punzón y el dado son planas.En consecuencia, la fuerza del punzón se acumula con rapidez durante el corte,porque todo el espesor se corta al mismo tiempo. El lugar de las regiones queson cizalladas en cualquier momento se puede controlar realizando un chafláno bisel a las superficies del punzón y el dado. El chaflán se adapta en especialal corte de láminas gruesas, porque reduce la fuerza al principio de la carrera;también reduce el nivel de ruido de la operación.

Dados y matrices compuestas Se pueden hacer varias operaciones en la mis-ma lámina, en un solo golpe y en una estación, con una matriz o dado compuesto.Esas operaciones combinadas se suelen limitar a formas relativamente sencillas,porque son algo lentas y porque las matrices, a medida que aumenta su comple-jidad, se vuelven rápidamente mucho más costosas que las que se emplean enoperaciones individuales de corte.

Dados progresivos Las piezas que requieren de operaciones múltiples, talescomo el punzonado, el estampado y el formado de muesca, pueden ser realizadasa velocidades de producción altas en dados progresivos. La lámina metálica esalimentada por medio de un carrete con cinta, y una operación diferente sedesempeña en la misma estación con cada golpe de una serie de punzones.

Matrices o dados de transferencia En un arreglo de matriz de transferencia,la lámina metálica pasa por distintas operaciones en distintas estaciones, dis-puestas en una línea recta o en una trayectoria circular. Después de cada paso,la pieza pasa a la siguiente estación para efectuarle las siguientes operaciones.

Materiales para herramientas y dados Los materiales para herramientas ydados para corte suelen ser aceros grado herramienta y, para altas tasas deproducción, carburos. Es importante la lubricación para reducir el desgaste deherramientas y dados, así como para mejorar la calidad de los bordes.

9.2.4. Otros métodos de corte de lámina metálica

Hay otros muchos métodos para cortar láminas y, en especial, placas:

– La lámina o placa se puede cortar con una sierra de cinta; este método esun proceso de remoción de viruta.

– Corte con llama. Es otro método especial para placas gruesas de acero; seusa mucho en la construcción de barcos y en componentes estructuralespesados.

106 9.3. Características del metal laminado

– Corte con rayo láser. Ha llegado a ser un proceso importante. Es usadocon equipo controlado por computadora, para cortar en forma consistenteuna diversidad de formas, y con varios espesores. Este proceso se puedecombinar con el punzonado y la cizalladura; los dos procesos cubren inter-valos distintos y complementarios. Se han diseñado máquinas combinadas,capaces de realizar ambos procesos.

– Aserrado por fricción. Se realiza mediante un disco y hoja que se frotacontra la lámina o placa, a grandes velocidades.

– Corte con chorro de agua a presión. Se trata de un proceso de corte eficaztanto para materiales metálicos como no metálicos.

9.3. Características del metal laminado

9.3.1. Elongación

Una probeta sometida a tensión sufre primero una elongación uniforme;sólo cuando la carga sobrepasa la resistencia última a la tensión, la probetaforma una estricción.

Como en el formado de láminas se suele estirar el material, es preferible teneruna elongación uniforme alta, para tener una mayor capacidad de conformado.La deformación real a la cual comienza la formación del cuello es numéricamenteigual al exponente de endurecimiento por deformación.

La formación del cuello (estrangulamiento) puede ser localizada o difusa,dependiendo de la sensibilidad a la velocidad de deformación del material. Va-lores altos de esta magnitud indican que la formación del cuello se hace másdifusa; este efecto es deseable en las operaciones de conformado de láminas.

Además de la elongación uniforme y la formación del cuello, también im-porta la elongación total de la probeta, porque es un factor importante en lacapacidad de conformado de láminas metálicas. La elongación total del materialse incrementa al aumentar los valores del exponente de endurecimiento y de lasensibilidad a la velocidad de deformación.

9.3.2. Elongación del punto de fluencia

Los aceros de bajo carbono muestran un comportamiento llamado elonga-ción del punto de fluencia, donde se tienen puntos de fluencia superior e inferior.Este comportamiento consiste en que, después de que el material cede, la lámi-na se estira más en ciertas regiones, sin aumento alguno en el punto de fluenciainferior, mientras que otras regiones de la lámina aún no han cedido. Tambiénmuestran este comportamiento las aleaciones de aluminio y magnesio.

Este comportamiento produce las bandas de Lüder o marcas de deformaciónpor extensión; son depresiones alargadas en la superficie de la hoja, que puedenser objetables en el producto final, porque la rugosidad en la superficie afea la


apariencia y causa problemas en las operaciones subsiguientes de recubrimientoy pintura.

El método normal para eliminar estas marcas es reducir o eliminar la elon-gación del punto de fluencia, reduciendo el espesor de la lámina de 0,5 a 1,5 porciento al ser laminada en frío (laminación de temple o superficial). Sin embargo,debido al envejecimiento por deformación, la elongación del punto de fluenciaaparece nuevamente después de algunos días de exposición a temperatura am-biente, o de varias horas a temperaturas superiores. Para evitar este fenómeno,que es indeseable, se debe formar el material dentro de cierto límite de tiempoque depende del tipo de acero.

9.3.3. Anisotropía

Un factor importante que influye sobre el formado de láminas metálicas esla anisotropía (direccionalidad) de la lámina. Recuérdese que la anisotropía esadquirida durante el procesamiento termomecánico de la lámina, y que exis-ten dos tipos de anisotropía: la cristalográfica —orientación preferencial de losgranos— y la fibrilación mecánica —alineamiento de impurezas, inclusiones yhuecos dentro del espesor de la lámina—.

9.3.4. Tamaño de grano

El tamaño de grano del metal laminado es importante por dos razones.Primero, porque afecta a las propiedades mecánicas e influye sobre el aspectosuperficial de la pieza formada (cáscara de naranja). Mientras más basto sea elgrano, el aspecto de la superficie será más burdo. Segundo, porque se prefiere untamaño de grano ASTM 7 o más pequeño para las operaciones de conformadode metal laminado, en general.

9.4. Métodos de prueba para el conformado dehojas o láminas metálicas

La facilidad para el conformado, o conformabilidad, de las láminas metáli-cas es de gran interés técnico y económico. La conformabilidad suele definirsecomo la capacidad del metal laminado para sufrir el cambio deseado de formasin tener fallos como la constricción —formación del cuello de botella— ni eldesgarramiento. Las hojas metálicas pueden (según la geometría de la pieza)sufrir dos modos básicos de deformación: el estirado y el embutido.

9.4.1. Pruebas de copa (acopamiento o ahuecamiento)

Como la conformación con láminas es básicamente un proceso de extensióndel material, las primeras pruebas que se desarrollaron para evaluar la facilidad

108 9.4. Métodos de prueba para el conformado de hojas o láminas metálicas

del conformado fueron las de copa. El espécimen de metal laminado se aprisionaentre dos dados circulares planos y se comprime hidráulicamente en él una bolade acero o un punzón redondo hasta que comienza a aparecer una grieta en elespécimen estirado.

Mientras mayor sea el valor de la profundidad de punzonado, d, la facilidadde conformado de la lámina es mayor. Aunque estas pruebas son fáciles de reali-zar, y sí son indicadores aproximados de la facilidad del conformado, no simulanlas condiciones exactas de las operaciones reales de conformado de láminas.

9.4.2. Diagramas de límite de conformado

Un desarrollo importante en las pruebas de facilidad para el conformadode las láminas metálicas es el diagrama de límite de formado. La lámina semarca con una red de círculos, habitualmente entre 2,5 y 5 mm de diámetro,mediante técnicas electroquímicas o de fotograbado. A continuación se estirala pieza bruta sobre un punzón, y se observa y se mide la deformación de loscírculos, en regiones donde se haya presentado el fallo. Para tener una mayorprecisión en la medición, los círculos se hacen lo más pequeños posible.

Para provocar el estiramiento desigual, como en las operaciones reales deconformado de láminas, los especímenes se cortan con anchos variables. Unespécimen cuadrado produce extensión biaxial igual, mientras que un espécimenestrecho tiende a un estado de extensión uniaxial o tensión simple. Después dehacer una serie de pruebas en determinada hoja metálica, con distintos anchos,se traza un diagrama de límite de formado, mostrando los límites entre lasregiones de fallo y segura.

Para hacer el diagrama de límite de conformado, se miden las deformacionesmayor y menor determinadas con la deformación en los círculos originales. Elcírculo original se deforma pasando a ser una elipse. El eje mayor de la elipserepresenta la dirección principal y siempre es positiva, porque la lámina metálicase estira. El eje menor de la elipse representa la magnitud de la extensión o elencogimiento en dirección transversal de la lámina metálica.

La deformación menor puede ser positiva o negativa. Si, por ejemplo, se poneun círculo en el centro de un espécimen de prueba de tensión y a continuación seestira, el espécimen se hace más estrecho a medida que se estira, y la deformaciónmenor es negativa.

El comparar las áreas superficiales del círculo original y el deformado, en lalámina ya conformada podemos determinar también si ha cambiado el espesorde la lámina. Como el volumen permanece constante en la deformación plástica,se sabe que si el área del círculo deformado es mayor que la del círculo original,la lámina se ha adelgazado.

Es importante hacer notar que una deformación menor de compresión de,digamos, el veinte por ciento, se asocia con una deformación mayor que la quecorresponde a una menor deformación en tensión (positiva) de la misma mag-nitud. En otras palabras, es deseable que la menor deformación sea negativa


(contracción en la dirección menor). En el conformado de piezas complicadasde metal laminado se pueden diseñar herramientas especiales para aprovecharlas ventajas del efecto benéfico que poseen las deformaciones menores negativassobre la facilidad del conformado.

La fricción y la lubricación en la interfase entre el punzón y la lámina sonfactores importantes en los resultados de la prueba. Con interfases bien lubri-cadas, las deformaciones se distribuyen de modo más uniforme sobre el punzón.Además, las rayaduras superficiales, hendiduras profundas e imperfecciones pue-den reducir la facilidad de conformado, causando con ello el desgarramiento yel fallo prematuros.

9.5. Doblado de láminas y placas

En el doblado, las fibras extremas del material están en tensión, mientrasque las del interior están comprimidas. A causa de la relación de Poisson, elancho de la pieza en la región externa es menor, y en la interna es mayor, queel ancho original.

La holgura o tolerancia en el doblado es la longitud del eje neutro en ladoblez, y se usa para determinar la longitud de la pieza bruta con que se fabricauna pieza doblada. Sin embargo, la posición del eje neutro depende del radio ydel ángulo de doblez; una fórmula aproximada de la holgura de doblado, Lb, esla siguiente:

Lb = α(R + kT ),

donde α es el ángulo de doblez en radianes, T es el espesor de la lámina, R elradio de doblez y k una constante. Nótese que, para el caso ideal, el eje neutroestá en el centro del espesor de la lámina; en ese caso, k = 0,5, y entonces:

Lb = α

[

R +

(

T

2

)]

;

en la práctica, los valores de k suelen ser de entre 0,33 (para R < 2T ) a 0,5(para R > 2T ).

9.5.1. Radio mínimo de doblez

La deformación de una lámina durante el doblado es:

e =1

(

2RT

)

+ 1.

A medida que disminuye RT

, la relación entre el radio de doblez y el espesor sehace menor, la deformación por tensión en la fibra externa aumenta y, al final,el material se rompe.

La relación a la que aparece una grieta en la superficie externa de la láminase denomina radio mínimo de doblado del material. Se suele expresar en función

110 9.5. Doblado de láminas y placas

del espesor. Así, un radio mínimo de doblado de 3T indica que el radio mínimocon el que se puede doblar la lámina sin que se agriete es de tres veces su espesor.

Hay una relación inversa entre la facilidad de doblado y la reducción de áreadel material por tensión. El radio mínimo de doblado es, aproximadamente,

R = T

(

50

r − 1

)

,

donde r es la reducción del área de lámina metálica por tensión. Nótese que,para r = 50, el radio mínimo de doblez es cero; esto es, la lámina se puededoblar sobre sí misma casi como una hoja de papel. Para aumentar la facilidadde doblado de los metales se puede aumentar su reducción de área por tensión,ya sea por calentamiento o doblándolos en un ambiente de alta presión.

La facilidad de doblado depende de la condición de borde de la lámina.Puesto que los bordes rugosos son puntos de concentración de esfuerzos, dismi-nuye la facilidad de doblado a medida que aumenta la rugosidad del borde. Otrofactor importante en el agrietamiento de los bordes es la cantidad y la formade las inclusiones en la lámina metálica, así como la cantidad de trabajo en fríoque sufren los bordes durante el corte. A causa de su forma puntiaguda, lasinclusiones de forma alargada son más perjudiciales que las de forma globular.La eliminación de las regiones con trabajo en frío —por ejemplo, mediante ma-quinado de la pieza, o recociéndola para mejorar su ductilidad— mejora muchola resistencia a la fractura de los bordes.

La anisotropía de una lámina es un factor importante en la facilidad deconformado. La laminación en frío produce anisotropía por orientación prefe-rencial y por fibrilación mecánica debido al alineamiento de todas las impurezas,inclusiones y huecos que pueda haber. Antes de doblar esa lámina se debe te-ner cuidado para cortarla en la dirección adecuada de una lámina, aunque estaelección no siempre es posible.

9.5.2. Restitución

Como todos los materiales tienen un módulo de elasticidad finito, al pasara la etapa de deformación plástica y, al eliminar la carga aplicada, el materialexhibirá algo de la recuperación elástica. En el doblado, a esta recuperación se lellama restitución o recuperación (springblock); tras la restitución, el ángulo finalde doblado es menor, y el radio final de doblado es mayor que antes de doblar.La restitución no sólo se presenta en láminas y placas planas, sino también envarillas, alambres y barras con cualquier perfil transversal.

Se puede calcular de forma aproximada la restitución en función de losradios Ri y Rf de la siguiente:

Ri

Rf

= 4

(

RiY

ET

)3

− 3

(

RiY

ET

)

+ 1.

En esta fórmula, se observa que la restitución aumenta al incrementarse la re-lación R

Ty el esfuerzo de fluencia Y del material, y al disminuir el módulo de

elasticidad E.


En el doblado con dado en V , es posible que el material muestre restricciónnegativa, al igual que positiva. Esta condición se debe a la naturaleza de ladeformación que sucede en el momento en el que el punzón termina la operaciónde doblado, al final de su carrera. La restitución negativa no se presenta en eldoblado al aire (doblado libre) por la falta de restricciones como las que imponeuna matriz en V .

Compensación de la restitución En las operaciones de conformado se suelecompensar la restitución doblando en exceso la pieza; serán necesarias variaspruebas para llegar a los resultados deseados. Otro método es acuñar la zonade doblez sometiéndola a grandes esfuerzos de compresión localizados, entre lapunta del punzón y la superficie del dado; esta técnica se denomina fondeo delpunzón. Otro método es el de doblado con estiramiento, en el que la pieza sesomete a la tensión mientras se dobla. Para reducir la restitución, también sepuede hacer el doblado a temperaturas elevadas.

9.5.3. Fuerza de doblado

Se pueden calcular las fuerzas de doblado suponiendo que el proceso es deflexión simple de una vida rectangular. La fuerza de doblado, en este caso, esfunción de la resistencia del material, la longitud L de la doblez, el espesor T

de la lámina y el tamaño W de la abertura del dado. Sin incluir la fricción, lafuerza máxima de doblado, P , es:

P =kY LT 2

W,

donde el factor k va desde 0,3 aproximadamente, para un dado deslizante, pa-sando por 0,7, aproximadamente, para un dado en U , hasta 1,3 para una matrizen V ; Y es la tensión de fluencia del material.

Para un dado en V , se suele aproximar la ecuación anterior así:

P =UTSLT 2

W,

donde el UTS es la resistencia última del material. Esta ecuación se aplica acasos en los que el radio del punzón y el espesor del material son pequeños, encomparación con la abertura W del dado.

La fuerza de doblado también es función del avance del punzón en el ciclode doblado. Éste sube de cero hasta un máximo y hasta puede disminuir alir completando el doblado; después aumenta bruscamente cuando el punzónllega al fondo de su carrera durante el doblado con dado. En el doblado al aire odoblado libre, la fuerza no vuelve a aumentar después de iniciar su decrecimiento.

112 9.6. Operaciones comunes de doblado

9.6. Operaciones comunes de doblado

9.6.1. Conformado con prensas excéntricas

El metal laminado o en placas se puede doblar con facilidad y usando so-portes sencillos, mediante una prensa. Las láminas de 7 m o más largas, y otraspiezas relativamente estrechas, se suelen doblar en una prensa excéntrica. Estamáquina usa matrices o dados largos en una prensa mecánica o hidráulica, yes adecuada para pequeñas producciones. Las herramientas son sencillas y sepueden adaptar a una gran variedad de formas; además, el proceso se puedeautomatizar con facilidad.

Los materiales empleados en la producción de dados para estas prensas pue-den ser desde maderas duras —para materiales de baja resistencia y pequeñasproducciones— hasta carburos. Para la mayor parte de las aplicaciones se usancon más frecuencia dados de acero al carbono o de hierro gris.

9.6.2. Otras operaciones de doblado

Doblado con rodillos En este proceso, las placas se doblan con un conjunto derodillos. Ajustando la distancia entre los tres rodillos se pueden obtener diversascurvaturas.

Doblado en máquina de cuatro correderas Estas máquinas se consiguen endiversos diseños, y los movimientos laterales de los dados se controlan y sincroni-zan con el movimiento vertical para conformar la pieza con las formas deseadas.

Acanalado En el acanalado, la periferia de la lámina metálica se dobla haciala cavidad de un dado. El canal imparte rigidez al aumentar el momento deinercia de la sección. También mejorará la apariencia de la pieza y eliminará losbordes agudos descubiertos.

Rebordeado El rebordeado o bridado es un proceso de doblar los bordes delas láminas metálicas, normalmente a 90◦.En el rebordeado contraído, la ceja sesomete a esfuerzos circulares de compresión que, si son excesivos, pueden hacerque se plieguen los lados de la brida. La tendencia a la formación de plieguesaumenta al disminuir el radio de curvatura de la brida. En el rebordeado estirado,los bordes de la pestaña se someten a fuerzas de tensión que, si son excesivas,pueden causar el agrietamiento a lo largo de la periferia.

Formado de orificios En esta operación, se troquela primero un orificio y des-pués se expande formándole un reborde. Los rebordes se pueden producir perfo-rando con un punzón conformado. Cuando el ángulo de doblez es menor de 90◦,como en los herrajes con extremos cónicos, el proceso se denomina abocardado.


El estado de los bordes es importante en estas operaciones. Al estirar el ma-terial se originan grandes esfuerzos de tensión en ellos, lo que podría conducira la ruptura y desgarramiento de la brida. A medida que aumenta la relaciónentre el diámetro del reborde y el diámetro del orificio, las deformaciones au-mentan en forma proporcional. Se pueden rasurar o troquelar los bordes conuna herramienta afilada para mejorar su acabado superficial, reduciendo así laposibilidad de agrietamiento.

Conformado de dobleces en los bordes En este proceso, también llamadoaplanamiento, el borde de la lámina se dobla sobre sí mismo. La doblez aumentala rigidez de la pieza, mejora su aspecto y elimina los filos. El empate implicaunir dos bordes de lámina metálica mediante un dobladillo. El doble empate sehace mediante un proceso similar, con rodillos de forma especial, para obteneruniones herméticas al agua y al aire, como las que se necesitan en las latas dealimentos y bebidas.

Conformado por laminación Este proceso se usa para tramos continuos delámina metálica y para grandes producciones; también se denomina laminadode contorno o laminado en frío. En él, la cinta de metal se dobla, en etapas,pasando por una serie de rodillos. Después, las piezas se suelen cortar y apilaren forma continua.

Entre los productos que se fabrican así están los canales, canalones, laterales,tableros, marcos de puertas y cuadros y tubos con costura cerrada. La longitudde la pieza sólo está limitada por la cantidad de material suministrado del rollo.El espesor de la lámina suele ser de entre 0,125 y 20 mm. Las velocidades derolado son, en general menores que 1,5 m/s, aunque pueden ser mucho mayoresen aplicaciones especiales.

En general, los rodillos son de acero al carbono o de hierro gris, y puedenestar cromados para dar mejor acabado superficial al producto y presentar mejorresistencia al desgaste en los rodillos. Se pueden usar lubricantes para mejorarla vida de los rodillos y el acabado superficial, así como para enfriar los rodillosy la pieza.

9.7. Doblado y conformado de tubos

El doblado y conformado de tubos y demás perfiles huecos requiere herra-mientas especiales para evitar flexiones o aplastamientos y dobleces. El métodomás antiguo y sencillo para doblar un tubo es introducir en su interior partículassueltas —casi siempre arena— para después doblarlo en un soporte adecuado.El relleno evita que se aplaste el tubo. Después de haberlo doblado, se le sacala arena. También se pueden perforar los tubos con mandriles internos flexibles.Un tubo relativamente grueso, con radio grande de curvatura, se puede doblarsin llenarlo de partículas y sin usar tapones.

114 9.8. Conformado por extensión

Abombamiento Este proceso consiste en colocar una parte tubular, cónica ocurvilínea en un dado hembra partido en dos, para después expandirlo, casisiempre con un tapón de poliuretano. A continuación se retira el punzón, eltapón regresa a su forma original y la pieza formada se saca abriendo las matriceso dados. Entre los productos que se fabrican así están las cafeteras o las jarras,los barriles y los rebordes de los tambores. Para piezas con formas complicadas,se puede conformar el tapón, en lugar de ser cilíndrico, para aplicar mayorpresión en regiones críticas. La ventaja principal de usar tapones de poliuretanoes que son muy resistentes a la abrasión, al desgaste y a los lubricantes; además,no dañan el acabado superficial de la pieza que se está moldeando.

Dados segmentados Estos dados consisten en segmentos individuales que secolocan dentro de la pieza y a continuación se expanden, en general en direcciónradial y, por último, se retraen. Los dados segmentados son poco costosos y sepueden usar para grandes series de producción.

9.8. Conformado por extensión

En el conformado por extensión, la lámina metálica se sujeta en sus bordesy a continuación se estira sobre un dado o bloque formador, que se mueve haciaarriba, hacia abajo o hacia los lados, dependiendo de la máquina. La formaciónpor estirado se usa principalmente para formar los recubrimientos de las alas delos aviones, las puertas de los automóviles y los marcos de ventana.

En la mayor parte de las operaciones, la lámina bruta es rectangular, sesujeta a lo largo de sus lados cortos y se estira longitudinalmente, permitiendoasí que el material se contraiga en su ancho. Es importante controlar la cantidadde estiramiento para evitar rasgaduras.

Los dados para el estirado se fabrican, por lo general, con aleaciones de cinc,acero, plásticos o madera. En la mayor parte de las aplicaciones se requiere pocao ninguna lubricación. En conjunto, en el conformado por extensión se empleandiversos equipos accesorios, y conformado adicional con dados macho y hembramientras la pieza está en tensión. Aunque se usa este proceso principalmentepara producción de bajos volúmenes, es versátil y económico.

9.9. embutición profunda

9.9.1. El proceso de embutición profunda

En el método básico de embutición o embutición profunda, se coloca unapieza bruta de lámina, redonda, sobre un dado abierto circular, y se afianzaen su lugar con un sujetador de material en bruto o un anillo de sujeción. Elpunzón corre hacia abajo y empuja la lámina dentro de la cavidad, para formaruna taza o depresión. Las variables importantes en la embutición profunda son


las propiedades de la lámina metálica, la relación entre el diámetro de la piezabruta (D0) y el diámetro del punzón (Dp), la holgura (c) entre el punzón yel dado, el radio del punzón, Rp, el radio de tangencia (Rd), la fuerza en elsujetador de material en bruto y la fricción y lubricación.

Durante la operación de embutición, el movimiento de la pieza bruta haciala cavidad induce esfuerzos circulares de compresión en la ceja, que tiendena hacer que ésta se pliegue. Se puede reducir o eliminar el plegamiento si semantiene al sujetador de material en bruto bajo la acción de cierta fuerza. Lapared de la depresión que ya se ha formado se somete principalmente a unesfuerzo longitudinal de tensión. El alargamiento hace adelgazar la pared de ladepresión; si es demasiado elevado, causa rasgaduras.

9.9.2. Capacidad de embutición profunda

En una operación de embutición profunda, la generación de defectos sueledeberse al adelgazamiento de la pared de la depresión debido a los grandesesfuerzos longitudinales de tensión. Si se sigue el movimiento del material haciala cavidad del dado, se puede ver que la lámina metálica debe ser capaz de sufriruna reducción de ancho, a causa de la reducción de diámetro; además, la láminadebe resistir el adelgazamiento bajo los esfuerzos de tensión en la pared de lataza. La capacidad de embutición profunda se valora, en general, con la relaciónlímite de embutición, que se define como la relación entre el diámetro máximode la lámina bruta y el diámetro del punzón, D0

Dp.

El que una lámina se pueda embutir en forma profunda para crear una tazaredonda es función de la anisotropía normal R del metal laminado, que tambiénse llama anisotropía plástica. La anisotropía normal se define en función de lasdeformaciones reales que sufre el espécimen a la tensión, la deformación enanchura entre la deformación en espesor, εw

ετ.

Para calcular el valor de R se prepara primero un espécimen para la pruebade tensión y, a continuación, se le somete a una elongación del quince al veintepor ciento. Como casi siempre las hojas laminas en frío tienen anisotropía en sudirección planar, el valor de R de un espécimen cortado de una lámina roladadependerá de su orientación con respecto a la dirección de laminado de la hoja(o lámina). En este caso, se calcula un valor promedio (Rm) con la ecuación:

Rm =R0 + 2R45 + R90

4,

en la que los ángulos son respecto a la dirección de laminación de la hoja.

Borde ondulado y anisotropía planar En la embutición las orillas o bordesde las depresiones se pueden volver onduladas; a este fenómeno se le denominaborde ondulado u orejas. Esta condición se debe a la anisotropía planar de lahoja. Se define en términos de valores direccionales de R, con la ecuación:

∆R =R0 − 2R45 + R90

2.

116 9.9. embutición profunda

Cuando ∆R = 0 no se forman orejas. La altura de éstas aumenta al incremen-tar ∆R. La cantidad de ondulaciones que se forman puede ser dos, cuatro uocho. Las orejas son indeseables en las depresiones embutidas, porque hay querecortarlas y se producen mermas.

Se puede ver que la capacidad de embutición profunda aumenta con un valoralto de Rm y bajo de ∆R. Sin embargo y en general, los metales laminados conRm alto también tienen valores altos de ∆R. Se están desarrollando texturasde metal laminado para mejorar la capacidad de embutición controlando el tipode los elementos aleantes en el material, al igual que diversos parámetros delproceso durante el laminado de la hoja.

9.9.3. Práctica de la embutición profunda

Se han establecido ciertos lineamientos para conseguir una buena embuti-ción profunda. En general, se escoge la presión del sujetador de material blancopara que sea de 0,7 a 1,0 % de la suma de la resistencia de fluencia y la resis-tencia última del metal laminado. Si la fuerza en el portapiezas es muy alta,aumenta la fuerza del punzón y se provocan desgarramientos en la pared de lataza; por otra parte, si la fuerza en el portapiezas es muy baja, se producenarrugas.

Las holguras suelen ser entre un 7 y un 14 por ciento mayores que el espesorde la lámina. Si son muy estrechas, puede ser que la lámina tan sólo se perforeo corte el punzón. Los radios de tangencia del punzón y la matriz tambiénson importantes. Si son demasiado estrechos, pueden causar fracturas en lasesquinas; si son demasiado grandes, la taza se pliega (fruncido).

Con frecuencia, es necesario emplear cordones de estampado para controlarel flujo de la pieza bruta que entra a la cavidad del dado. Éstos restringen elflujo de la lámina, porque la doblan y desdoblan durante el estampado; conello aumentan la fuerza necesaria para jalar la lámina hacia el centro del da-do. También ayudan a reducir las fuerzas que se requieren en el sujetador dematerial en bruto, porque la lámina con canal tiene una rigidez mayor, y porconsiguiente presenta menor tendencia a plegarse. Los diámetros de los cordonesde embutición pueden ser de 13 a 20 mm.

Para evitar que se rasgue la lámina metálica durante el formado, es im-portante incorporar factores tales como: radios grandes de dado; lubricaciónefectiva; diseño y ubicación de los cordones de embutición; desarrollo del tama-ño y la forma correctos de la pieza en bruto; el recorte de esquinas de láminascuadradas o rectangulares, a 45◦ para reducir los esfuerzos de tensión durantela embutición, y usar láminas en bruto libres de defectos internos y externos.

Planchado Si la holgura es grande, la depresión embutida tendrá paredes másgruesas en su borde que en su base. La razón es que el borde consiste en materialprocedente del diámetro exterior de la lámina bruta, que se reduce más que elque forma el resto de la pared. En consecuencia, la depresión tendrá espesor nouniforme. El planchado es un proceso en el que el espesor de la pared de una


depresión se hace uniforme, empujándola a través de anillos planchadores.

Reembutición Los recipientes o contenedores muy difíciles de embutir en unaoperación suelen pasar por un reembutición. Por la constancia de volumen, ladepresión de embutición se alarga a medida que se vuelve a embutir a diámetrosmás pequeños. En la reembutición inversa, la depresión (taza) se coloca bocaabajo en el dado y se sujeta así al doblez en dirección opuesta a su configuraciónoriginal.

Embutición sin sujetador de material en bruto También se puede hacer unabuena embutición profunda sin un portapiezas, siempre que la lámina metálicasea lo suficientemente gruesa como para evitar pliegues. Un intervalo normal es:

D0 − Dp < 5T,

donde T es el espesor de la lámina. Los dados tienen contornos especiales paraesta operación.

Realzado El realzado, también denominado repujado o gofrado, es una opera-ción que consiste en embuticiones superficiales o moderadas hechas con dadosmacho y hembra correspondientes. Se usa principalmente para dar rigidez atableros planos, así como para decoración.

Lubricación En la embutición profunda, la lubricación hace disminuir las fuer-zas, aumentar la capacidad de embutición y reducir los defectos en las piezas, asícomo el desgaste de las herramientas. En general, se debe mantener al mínimola lubricación del punzón, porque la fricción entre éste y la depresión formadamejora la capacidad de embutición, al reducir los esfuerzos de tensión en la tazao depresión. Para las aplicaciones generales, los lubricantes de uso común sonlos aceites minerales, soluciones de jabón y emulsiones para trabajo duro. Paraaplicaciones más difíciles se usan recubrimientos, cera y lubricantes sólidos.

Herramientas y equipo para embutir Los materiales más comunes para he-rramientas y dados en la embutición profunda son los aceros para herramientasy fundiciones de hierro, aunque también se pueden usar otros materiales, co-mo carburos y plásticos. El equipo para el embutición profunda suele ser unaprensa hidráulica de doble acción, o una prensa mecánica. Se prefiere más estaúltima, por su alta velocidad del punzón. La prensa hidráulica de doble accióncontrola en forma independiente el punzón y el sujetador de pieza. En general,las velocidades de los punzones varían entre 0,1 y 0,3 m/s.

Las fábricas modernas están muy automatizadas. Por ejemplo, una solaplanta puede producir hasta 100000 cartuchos de filtro automotriz por día. Laspiezas de lámina en bruto se alimentan y transfieren en forma automática endedos mecánicos controlados por robots. El rociado de lubricante se sincronizacon la carrera de la prensa, y las piezas se suelen transferir con dispositivos

118 9.10. Conformado con hule

magnéticos o por medio de vacío. Hay sistemas de inspección que vigilan todala operación de embutición.

9.10. Conformado con hule

En los procesos descritos en las secciones anteriores se hizo notar que, engeneral, los dados se fabrican con materiales rígidos. Sin embargo, en el confor-mado con hule, uno de los dados de un conjunto puede ser de material flexible,como por ejemplo membrana de poliuretano. Se usan mucho los dados de po-liuretano por su resistencia a la abrasión, a corte por rebabas o por filos de lalámina, y por su larga vida de fatiga.

En el proceso de hidroformado o conformado fluido, se controla la presiónsobre la membrana de hule durante el ciclo de formación, y las presiones máxi-mas son de hasta 100 MPa. Este procedimiento permite un control estrecho dela pieza durante el conformado, para evitar pliegues o desgarramientos. Se ob-tienen embuticiones más profundas que en la embutición profunda convencional,porque la presión en torno a la membrana de hule fuerza a la depresión contrael punzón. En consecuencia, aumenta la fricción entre el punzón y la depresiónmarcada; este aumento reduce los esfuerzos longitudinales de tensión en la tazay demora la fractura.

El control de las condiciones de fricción en el conformado con hule y enotras operaciones de conformado de lámina puede ser un factor crítico parapoder fabricar las piezas. También es importante el uso adecuado de lubricantesy métodos de aplicación.

Cuando se seleccionan en forma correcta, los procesos de conformado conhule tienen las ventajas de: bajo costo de herramientas; flexibilidad y facilidadde operación; bajo desgaste de dados; prevención de daños a la superficie dela lámina, y posibilidad de producir formas complicadas. También se puedenformar piezas con hojas metálicas de diversos materiales o recubrimientos.

9.11. Rechazado

El rechazado es un proceso antiguo que implica la formación de piezas axil-simétricas sobre un mandril, usando diversas herramientas y rodillos. Hay trestécnicas básicas de rechazado: convencional (o manual), por corte, y de tubo. Elequipo que se usa en esos procesos se parece a un torno, pero tiene característicasespeciales.

9.11.1. Rechazado convencional

En un rechazado convencional, una lámina bruta circular plana o preforma-da se sujeta contra un mandril y se hace girar, mientras que una herramienta


rígida deforma y conforma el material sobre el mandril. La herramienta se puedeactivar manualmente o con un mecanismo hidráulico controlado por computa-dora. El proceso comprende una secuencia de pasadas y requiere de muchadestreza.

El rechazado convencional se adapta en especial a formas cónicas y curvi-líneas, que de otro modo sería difícil o costoso producir. Los diámetros de laspiezas pueden llegar hasta los 6 m.

9.11.2. Rechazado por corte

El rechazado por corte —también denominado rechazado motorizado, tor-neado con flujo, hidrorrechazado o forjado de rotación— produce una formaaxilsimétrica, cónica o curvilínea, y mantiene al mismo tiempo el diámetro má-ximo de la pieza, reduciendo su espesor. Aunque se puede usar un solo rodillo,son preferibles dos para equilibrar las fuerzas sobre el mandril. Las piezas ca-racterísticas que se producen son las cajas de motores a reacción y los conos denariz de los misiles.

Se pueden conformar piezas de hasta 3 m de diámetro con el rechazado decorte. Esta operación desperdicia poco material y se puede terminar en un tiem-po relativamente corto, de unos pocos segundos. Por las grandes deformacionesque se manejan, este proceso genera bastante calor, por lo que en el transcursose requieren flujos de agua.

La capacidad de conformación por rechazado de un metal se define como lamáxima reducción de espesor a la que puede someterse una pieza en el rechazadosin que se rompa. Esta capacidad se relaciona con la reducción de área delmaterial a la tensión, al igual que la capacidad de flexión. Si un metal tiene unareducción de un cincuenta por ciento de área a tensión (o mayor), su espesor sepuede reducir hasta en un ochenta por ciento sólo con un paso de rechazado.Los materiales con baja ductilidad se procesan a temperaturas elevadas.

9.11.3. Rechazado de tubos

En el rechazado de tubos, el espesor de las piezas cilíndricas se reduce, porquese procesan con rodillos sobre un mandril cilíndrico. La reducción máxima porpaso, en el rechazado de tubos, se relaciona con la reducción del área del materiala la tensión, como en el rechazado de corte. Se puede aplicar la rotación detubos para fabricar recipientes a presión, componentes automotrices como, porejemplo, ruedas de automóviles y de camiones, así como piezas de cohetes, misilesy motores a reacción.

120 9.12. Conformado superplástico

9.12. Conformado superplástico

Ciertas aleaciones con grano muy fino —tales como el Zn-Al y titanio—se pueden procesar hasta alcanzar formas complejas mediante el conformadosuperplástico, proceso en que se emplean técnicas comunes al trabajo de meta-les y al procesamiento de polímeros. Esta clase de conformado presenta variasventajas :

– Se requiere menos resistencia en las herramientas, por la baja resistenciadel material en las temperaturas del conformado; por consiguiente, loscostos de las herramientas son menores.

– Se pueden conformar piezas complicadas en una sola pieza, con detallesfinos y tolerancias cerradas, eliminando operaciones secundarias.

– Se pueden obtener ahorros en peso y material, por la facilidad de formaciónde los materiales.

– En las piezas formadas queda poco o ningún esfuerzo residual.

No obstante, el conformado superplástico posee las siguientes limitaciones :por una parte, el material no debe ser superplástico a las temperaturas de ser-vicio; por otra, debido a la extremada sensibilidad del material superplástico ala velocidad de deformación volumétrica, se debe conformar a velocidades sufi-cientemente bajas. Los tiempos de conformado van de algunos segundos hastavarias horas. En consecuencia, los tiempos de ciclo son mucho mayores que enlos procesos convencionales de conformado; en consecuencia, el conformado su-perplástico es un proceso intermitente.

Un desarrollo importante es la posibilidad de fabricar estructuras de me-tal laminado combinando la soldadura o enlace por difusión con el conformadosuperplástico (spf/db, Superplastic Forming/Diffusion Bonding). Después dela soldadura por difusión de regiones específicas de las láminas, las regionesno ligadas se expanden dentro de un molde, con argón gaseoso a presión. Es-tas estructuras son delgadas y poseen grandes relaciones de rigidez a peso. Enconsecuencia, son bastante importantes en aplicaciones aeronáuticas y aeroespa-ciales. Este proceso mejora la productividad, al eliminar sujetadores mecánicos,y produce piezas con buena precisión dimensional y bajos esfuerzos residuales.

Los materiales que se suelen usar en el conformado superplástico son ace-ros de baja aleación, aceros grado herramienta fundidos, materiales cerámicos,grafito y yeso. La selección depende de las temperaturas de conformado y de laresistencia de la aleación superplástica.


9.13. Explosión, impulso magnético, repujado yotros procesos de conformado

9.13.1. Conformado por explosión

Si se controla la cantidad y la forma de actuación de los explosivos, puedenemplearse como fuente de energía para dar forma a los metales. Esta forma deenergía se empleó por primera vez para conformar metales a comienzos del sigloxx. Habitualmente, en el conformado por explosión, la lámina bruta se aprisionasobre un dado y baja todo el conjunto a un tanque lleno de agua. Se saca el aireen la cavidad del dado, se coloca a cierta altura una carga explosiva y se hacedetonar.

La conversión rápida de la carga explosiva en gas genera una onda de choque.La presión de esa onda es suficiente para dar forma a los metales laminados. Lapresión máxima p debida a la explosión y generada en el agua, se calcula con laecuación:

p = K

(

3√

W

R

)a

,

donde p está en psi, K es una constante que depende del explosivo (por ejemplo,para el tnt es de 21600), W es el peso del explosivo (en libras), R es la distanciadel explosivo a la superficie de la pieza (en pies), y a es una constante que, porregla general, se toma igual a 1,15.

Con este proceso, se pueden fabricar distintas formas, siempre que el mate-rial sea dúctil a las grandes tasas de formación características de la naturalezaexplosiva del proceso. El conformado por explosión es versátil, casi no hay límiteal tamaño de la pieza, y se adapta en especial para series de producción peque-ñas, para piezas grandes, tales como las que se encuentran en las aplicacionesaeroespaciales.

Las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas mediante este procesoson básicamente iguales a las fabricadas con métodos convencionales de con-formado. Según la cantidad de piezas que se van a producir, los dados puedenser de aleaciones de aluminio, acero, hierro dúctil, aleaciones de zinc, cementoreforzado, madera, plásticos o materiales compuestos.

9.13.2. Conformado con impulso magnético

En el conformado con impulso magnético, o conformado electromagnético,la energía almacenada en un banco de condensadores se descarga rápidamentea través de una bobina magnética. En un ejemplo característico, una bobinaanular se coloca sobre una pieza tubular. A continuación, se aplasta el tubosobre otra pieza sólida, por las fuerzas magnéticas, haciendo que el conjuntoforme una sola parte.

El campo magnético que produce la bobina cruza al tubo metálico (unconductor), generando así corrientes parásitas en él. Esas corrientes, a su vez,producen su propio campo magnético. Las fuerzas producidas por los dos campos

122 9.13. Explosión y otros procesos de conformado

magnéticos se oponen entre sí y, en consecuencia, crean una fuerza de repulsiónentre la bobina y el tubo. Las fuerzas generadas colapsan al tubo sobre la piezainterior.

Mientras mayor sea la conductividad eléctrica de la pieza, las fuerzas mag-néticas son más grandes. No hay necesidad de que el material de la pieza tengapropiedades magnéticas. También hay bobinas magnéticas planas para las ope-raciones de realzado y de embutición superficial en metales laminados.

9.13.3. Repujado

El repujado se usa para producir curvaturas en láminas delgadas de metalmediante bombardeo con perdigones. La superficie de la lámina se somete aesfuerzos de compresión que tienden a expandir la capa superficial. Como elmaterial detrás de la superficie bombardeada permanece rígido, la expansiónsuperficial hace que la lámina adquiera una curvatura. Además, el proceso induceesfuerzos superficiales de compresión, que mejoran la vida de fatiga de la lámina.

El bombardeo se hace con bolas de hierro colado o de acero, lanzadas desdeuna rueda giratoria o con chorro de aire desde una boquilla. El bombardeo conperdigones se usa en la industria aeronáutica para generar curvaturas lisas yuniformes en las alas.

9.13.4. Otros procesos de conformado de láminas

– Conformado con láser del metal laminado: implica la aplicación de rayosláser en zonas específicas de una parte para inducir gradientes térmicosen el espesor de la lámina. Los gradientes que se desarrollan son lo sufi-cientemente grandes para causar deformaciones plásticas localizadas en lalámina y dar como resultado, por ejemplo, una lámina doblada.

– En el conformado ayudado con láser se pueden hacer ciertas operacionescon láseres como fuente localizada de calor para reducir el esfuerzo defluencia del metal laminado en lugares específicos y para mejorar la faci-lidad de conformado y aumentar la flexibilidad del proceso. Como ejem-plos tenemos el enderezado, doblado, realzado y conformado de complejoscomponentes tubulares o planos. Se deben investigar los efectos adversosposibles del calentamiento localizado sobre la integridad del producto.

– En el conformado electrohidráulico —también denominado conformadocon chispa submarina o con descarga eléctrica—, la fuente de energía esuna chispa entre electrodos conectados con un alambre delgado. La rápidadescarga de energía de un banco de condensadores en los electrodos generauna onda de choque, similar a las creadas por explosivos, y moldea la pie-za. Este proceso se ha usado para fabricar piezas relativamente pequeñasa niveles de energía menores que los que se usan en el conformado conexplosivo, normalmente de unos pocos kJ.

– Mezcla de gas en un recipiente cerrado: se han usado como fuente de ener-gía. Cuando se encienden generan presiones para formar las láminas. El


principio se parece a la generación de presión en un motor de combustióninterna.

– Los gases licuados, como por ejemplo el nitrógeno líquido, también sepueden usar para producir presiones lo bastante altas como para moldearmetales laminados. Cuando se alcanza la temperatura ambiente en unrecipiente cerrado, el nitrógeno líquido se vuelve gaseoso y se expande,desarrollando la presión necesaria para moldear la parte.

9.13.5. Fabricación de estructuras de panal

La estructura de panal consiste básicamente en un núcleo de panal —o deotras formas corrugadas— ligado a dos láminas exteriores delgadas. El ejemplomás frecuente es el cartón corrugado.

Existen dos métodos principales para fabricar materiales en panal. En elproceso de despliegue, que es el más común, se cortan láminas de un rollo y seaplica un adhesivo a intervalos (líneas nodales). Se apilan las láminas y se curanen un horno, para que se formen fuertes ligaduras en las uniones con adhesivo.A continuación, se corta el bloque en rebanadas de la dimensión deseada, y seestira para producir una estructura en panal.

En el proceso de corrugado, la hoja pasa por un par de rodillos de diseñoespecial y se transforma en una lámina corrugada, que se corta a las longitudesdeseadas. De nuevo, se aplica adhesivo a las líneas nodales y el bloque se cura.Nótese que no interviene proceso alguno de expansión. Después, el material delpanal se encierra en una estructura emparedada: las láminas de las caras sepegan con adhesivos a las superficies superior e inferior.

9.14. Resistencia de piezas de metal laminado ala abolladura

Las abolladuras se producen con frecuencia en automóviles, electrodomésti-cos, muebles de oficina y utensilios de cocina. Se producen por fuerzas dinámicasprocedentes de objetos en movimiento que golpean al metal laminado. Así, porejemplo, en las carrocerías de automóviles las velocidades en el impacto lleganhasta 45 m/s. Así, el parámetro importante de la resistencia es el esfuerzo defluencia dinámico (esfuerzo de fluencia a grandes velocidades de deformación),y no el esfuerzo de fluencia estático.

Las fuerzas dinámicas tienden a producir abolladuras localizadas ; las fuerzasestáticas, por el contrario, tienden a repartir el área abollada.

Se ha visto que la resistencia a la abolladura de piezas de lámina metálicase incrementa al aumentar el esfuerzo de fluencia y el espesor de la lámina, ydisminuye al aumentar el módulo de elasticidad y la rigidez general de la parte.En consecuencia, las partes que se sujetan rígidamente en sus contornos tienen

124 9.15. Equipo para el conformado de hojas o láminas metálicas

menos resistencia al abollamiento.

9.15. Equipo para el conformado de hojas o lá-minas metálicas

Para la mayor parte de las operaciones de prensado, el equipo básico con-siste en prensas mecánicas, hidráulicas, neumáticas, o neumáticas-hidráulicas.El diseño, construcción y rigidez adecuadas de dichos equipos es esencial paratener un funcionamiento eficiente, gran producción, buen control dimensional yalta calidad del producto.

La estructura tradicional de marco en C se ha usado mucho por la facilidadde acceso a las herramientas y a las piezas producidas. Sin embargo, no es tanrígida como la tipo caja de pilar y doble columna. Además, los progresos enautomatización y el uso de robots industriales y controles computerizados handisminuido la importancia de la accesibilidad.

La selección de una prensa para operaciones de conformado de metal lami-nado depende de varios factores:

– El tipo de la operación de conformado y el tamaño y la forma de lasmatrices y herramientas requeridas.

– El tamaño y la forma de la pieza a fabricar.

– La longitud de la carrera de las correderas, la cantidad de golpes porminuto, la velocidad y la altura de cierre —distancia de la parte superiorde la cama a la parte inferior de la corredera bajada—.

– La cantidad de correderas. Las prensas de acción sencilla tienen una corre-dera alternativa. Las de doble acción tienen dos correderas, que se alternanen la misma dirección; se suelen usar para embuticiones profundas, unacorredera para el punzón y otra para el portapiezas. Las prensas de tripleacción tienen tres correderas; se suelen usar para embutición en reversa ypara otras operaciones complicadas de moldeo.

– La fuerza máxima requerida (capacidad o tonelaje de la prensa).

– El tipo de controles.

– Las características de seguridad.

– La forma de cambiar los dados. Como es importante el tiempo de cambiode dados en las prensas —puede ser de hasta algunas horas—, afecta laproductividad. Se han desarrollado sistemas de cambio rápido de dados.Con preparaciones de matrices de acuerdo con un sistema llamado cambiode dado en un minuto, (smed, Single-Minute Exchange of Die), hoy se pue-den cambiar dados en menos de diez minutos usando sistemas hidráulicoso neumáticos automatizados. Estas técnicas son de especial importanciaen sistemas de manufactura automatizados, con cómputo integrado.

Tema 10

Procesos de conformado de

polímeros y materiales

compuestos

10.1. Introducción

Los plásticos se funden o se curan a temperaturas relativamente bajas; enconsecuencia, y a diferencia de los metales, son fáciles de manejar y requierenmenos energía en su procesamiento. Sin embargo, las propiedades de las partesy los componentes de plástico están muy influidas por el método de fabricacióny los parámetros de procesamiento, por lo que es importante el control adecuadode esas condiciones para obtener una buena calidad de la pieza.

Los plásticos se suelen embarcar hacia las plantas manufactureras en formade partículas (pellets) o polvos, y se funden —en el caso de los termoplásticos—inmediatamente antes del proceso de moldeo. También se consiguen en formade lámina, placa, varilla y tubo, que se pueden conformar para obtener unadiversidad de productos. Los plásticos en estado líquido se usan en especialpara fabricar partes de plástico reforzado.

10.2. Extrusión

En la extrusión, las materias primas en forma de partículas, gránulos opolvo termoplástico se colocan en una tolva y se alimentan al barril o cañóndel extrusor. Este barril contiene un tornillo que mezcla las partículas y lastransporta por el barril. La fricción interna debida a la acción mecánica deltornillo, junto con los calentadores que rodean al barril del extrusor, hacencalentar las pastillas y las licúan. Además, la acción del tornillo hace aumentarla presión en el barril.

Los tornillos tienen tres secciones distintas:

126 10.2. Extrusión

– Una sección de alimentación que transporta el material desde la zona dela tolva hasta la región central del barril.

– Una sección de fusión, o transición, donde el calor generado por la ciza-lladura del plástico y por los calentadores hace que se inicie la fusión.

– Una sección de bombeo, donde aumenta la cizalladura y la fusión, con elincremento de presión en la matriz o dado.

El plástico o elastómero fundido es obligado a pasar a través de un dado, matrizo hilera, en un proceso parecido al de extrusión de metales. A continuación, elplástico extruido se enfría, sea exponiéndolo al aire o pasándolo por un canallleno de agua. Es importante controlar la rapidez y la uniformidad del enfria-miento, para reducir al mínimo la contracción y la distorsión del producto.

Como hay un abastecimiento continuo de materia prima en la tolva, se pue-den extruir productos largos, como por ejemplo varillas sólidas, tubos, marcosde ventana, perfiles arquitectónicos y láminas. Un desarrollo más reciente es laextrusión de tubo rígido de plástico mediante un proceso en el cual el dado gira;en consecuencia, el polímero se somete a cizalladura y se orienta biaxialmen-te durante la extrusión. Este tubo tiene mayor resistencia al aplastamiento ymayor relación resistencia a peso que los tubos con extrusión convencional.

Las partículas que se emplean para otros métodos de procesamiento de plás-ticos que se describen en este capítulo se fabrican por extrusión. En este caso,el producto extruido es una varilla de diámetro pequeño, que se corta en tra-mos cortos (partículas) a medida que se extruye. Con algunas modificaciones,también se pueden usar los extrusores como fundidores sencillos para otros pro-cesos de conformado, como por ejemplo el moldeo por inyección y el moldeo porsoplado.

Se deben controlar los parámetros de proceso, como son la rapidez del tor-nillo extrusor, temperaturas de la pared del barril, diseño del dado y velocidadesde enfriamiento y estirado, para obtener productos con precisión dimensionaluniforme. Para eliminar la resina no fundida o congelada por filtración se suelecolocar una tela metálica justo antes del dado y se cambia en forma periódi-ca. En general, se requieren grandes series de producción para justificar estosgastos.

Extrusión de láminas y películas Las láminas y la película se pueden producirusando un dado plano de extrusión. El polímero se extruye forzándolo a pasara través de un dado de diseño especial, después de lo cual la lámina extruidaes tomada primero por rodillos enfriados por agua, y después por un par derodillos de tensión cubiertos de hule.

Las películas delgadas de polímero —con las que se fabrican, por ejemplo, lasbolsas de plástico— se fabrican con un tubo producido en un extrusor. En esteproceso (partícula soplada), un tubo de pared delgada se extruye verticalmentehacia arriba y después se infla como un globo soplando aire por el centro dela hilera de extrusión hasta llegar al espesor deseado en la película. El globo

10. Procesos de conformado de polímeros y materiales compuestos 127

se enfría casi siempre con aire de un anillo de enfriamiento que lo rodea, quetambién puede ser una barrera para evitar una mayor expansión del globo,controlando sus dimensiones.

La película soplada se vende para envoltura (después de cortar el globofrío) y en forma de bolsas (estrangulando y cortando el globo). También seobtiene lámina rasurando barras sólidas redondas de plástico, en especial depolitetrafluoruroetileno (ptfe o teflón); a este proceso se le denomina rasurado.

10.3. Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es exactamente igual al proceso de fundición apresión con cámara caliente. Así como en la extrusión, el barril o cilindro secalienta para provocar la fusión. Sin embargo, con las máquinas de moldeo porinyección se transfiere una parte mucho mayor del calor al polímero debidoal calentamiento por fricción. Las partículas o granos se alimentan al barrilcalentado, y la masa fundida es obligada a pasar a una cámara con matriz odado bipartido, mediante un émbolo hidráulico o con el sistema del tornillorotatorio de un extrusor.

Los equipos más recientes son del tipo de tornillo reciprocante. Al aumentarla presión en la entrada del molde, el tornillo rotatorio comienza a moversehacia atrás bajo presión, hasta una distancia predeterminada; este movimientocontrola el volumen de material a inyectar. A continuación, el tornillo cesa degirar y es empujado hidráulicamente hacia adelante, forzando al plástico fundidoa la cavidad del molde. Las presiones de moldeo por inyección suelen ser de 70a 200 MPa.

Los productos característicos del moldeo por inyección son tazas, recipien-tes, cajas, mangos de herramientas, componentes eléctricos y de comunicaciones,juguetes y conexiones de fontanería. Para los polímeros termoplásticos, los mol-des están relativamente fríos; pero los polímeros termofijos son moldeados enmoldes calentados donde se efectúa la polimerización y el enlace cruzado.

En cualquier caso, después de que la pieza haya sido enfriada (termoplásti-cos) o curada (termofijos), se abren los moldes y se expulsa la pieza. A continua-ción se cierran los moldes y el proceso se repite de forma automática. Además,los elastómeros se moldean por inyección mediante estos procesos.

Como el material está fundido al inyectarse en el molde, se pueden obtenerformas complicadas y buena precisión dimensional. También se usan moldescon mandriles móviles y sin atornillar, que permiten moldear piezas con muchascavidades o con roscas internas o externas.

Para adaptarse al diseño de la pieza, los moldes pueden tener varios compo-nentes: canales de colada —como los de dados de colada de metales—, núcleos,cavidades, canales de enfriamiento, insertos, pernos de expulsión y expulsores.Hay tres clases básicas de moldes:

– El molde de canal (corredor o distribuidor) frío y dos placas. Este es eldiseño más sencillo.

128 10.3. Moldeo por inyección

– El molde de canal frío y tres placas, en que el sistema de canales es sepa-rado de la pieza cuando se abre el molde.

– El molde de canal caliente —también llamado molde sin canal—, en elque el plástico fundido se conserva en un canal con la placa caliente.

En los moldes de canal frío, el plástico solidificado en los canales que van delextremo del barril a la cavidad del molde se debe eliminar, casi siempre recor-tándolo.

También se pueden colocar componentes metálicos tales como tornillos, per-nos y bandas, en la cavidad del molde, y formar parte integral del productomoldeado por inyección (moldeo con inserto). Los ejemplos más comunes deestas combinaciones son los componentes eléctricos.

Sobremoldeo Este término se aplica a la producción de piezas articuladas yuniones de rótula en una operación, sin necesidad de ensamblar posteriormentelas piezas. Existe un proceso, denominado moldeo en hielo (ice-cold molding)en el que se usa la misma clase de plástico para formar los dos componentes dela junta. El proceso se hace en un ciclo con una máquina normal de moldeo porinyección. En él intervienen un molde de dos cavidades, y se usan insertos deenfriamiento colocados en la zona de contacto entre cada componente moldeadode la junta. De esta forma, no se forma un enlace entre las dos piezas.

Posibilidades del proceso El moldeo por inyección es un proceso de producciónde gran rapidez y permite obtener un buen control dimensional. Los tiemposcaracterísticos del ciclo van de 5 a 60 segundos, pero para materiales termofijospueden ser de varios minutos. Los moldes se suelen fabricar con aceros gradoherramienta y aleaciones de cobre al berilio o aluminio, y pueden tener variascavidades, de modo que se puede hacer una pieza en un ciclo.

Máquinas Las máquinas de moldeo por inyección suelen ser horizontales. Seusan máquinas verticales para fabricar piezas pequeñas, con tolerancias estre-chas, y para moldeo con inserto. La fuerza de prensado en los dados se sumi-nistra, en general, por medios hidráulicos, aunque hoy se dispone de métodoseléctricos. Los modelos con impulsión eléctrica pesan menos y son menos ruido-sos que las máquinas hidráulicas.

Las máquinas de moldeo por inyección se especifican según la capacidad delmolde y la fuerza de prensado. En la mayor parte de ellas, esta fuerza va de 0,9a 2,2 MN. La máquina más grande que hay en operación tiene una capacidadde 45 MN y puede producir piezas que pesen hasta 25 kg. La mayor parte deellas, sin embargo, pesan entre 100 y 600 g. El costo de una máquina de 100toneladas oscila entre unos 60000 y 90000 dólares; el de una de 300 toneladas,entre 85000 y 140000.

El alto costo de los dados, que normalmente es de entre 20000 y 200000dólares, determina que sea necesario un gran volumen de producción para jus-


tificar esta inversión. Las máquinas modernas poseen microprocesadores y mi-crocomputadoras en un tablero de control, y vigilan así todos los aspectos de laoperación.

10.3.1. Moldeo por inyección de reacción

El proceso de moldeo por inyección de reacción (reaction-injection molding),desarrollado en 1969, consiste en forzar una mezcla de resina con dos o másfluidos reactivos a una cavidad de moldeo a alta velocidad. En el molde seefectúan reacciones químicas rápidas y el polímero se solidifica y forma unaparte termofija.

10.3.2. Moldeo de espuma estructural

El proceso de moldeo de espuma estructural se usa para fabricar productosde plástico con cubierta externa sólida y una estructura interna celular. Losproductos característicos de esta clase son componentes de muebles, cajas detelevisión, cajas de máquinas de contabilidad y cajas de acumuladores. Aunquehay varios procesos de moldeo de espuma, básicamente son iguales al moldeo porinyección y a la extrusión. Se pueden usar polímeros termoplásticos y termofijosen este caso, pero los termofijos están en estado líquido, como el estado de lospolímeros en el moldeo por inyección con reacción.

En el moldeo de espuma por inyección, los termoplásticos se mezclan conun agente de soplado, que suele ser un gas inerte, como nitrógeno, que expandeel material.

10.4. Moldeo por soplado

El moldeo por soplado es un proceso modificado de moldeo por extrusión ypor inyección. En el moldeo por extrusión y soplado se extruye primero un tubo—que se suele girar hasta ponerlo vertical—, que a continuación se sujeta en unmolde con cavidad mucho mayor que el diámetro del tubo, y por último se soplay crece hacia afuera, llenando la cavidad del molde. Se suele soplar con aire apresiones entre 350 y 700 kPa. En algunas operaciones, la extrusión es continuay los moldes se mueven con el tubo.

Los moldes se cierran en torno al tubo, cierran ambos extremos —rompiendoasí el tubo para formar tramos— y después se alejan a medida que se inyectaaire en la pieza tubular. A continuación, se enfría y se expulsa la parte. Eltubo corrugado se fabrica por moldeo continuo por soplado, en el que el tubose extruye en dirección horizontal y pasa a los moldes en movimiento.

En el moldeo por inyección y soplado, primero se moldea una pieza tubular(pieza bruta o parison). A continuación se abren los moldes y la pieza pasa auna matriz o hilera de moldeo por soplado. Se inyecta aire caliente a la pieza

130 10.5. Moldeo rotativo

bruta, que se expande hasta llegar a las paredes de la cavidad del molde. Entrelos productos que se suelen hacer de esta forma están las botellas de plásticopara bebidas y los recipientes huecos.

En el moldeo por soplado en capas múltiples se usan tubos o piezas brutascoextruidas, lo que permite producir estructuras en varias capas. Como ejemplode esas estructuras tenemos el embalaje de plástico para alimentos y bebidas,con características específicas.

10.5. Moldeo rotativo

La mayor parte de los termoplásticos y algunos termofijos se pueden moldearen piezas grandes y huecas mediante moldeo rotativo. El molde metálico de pareddelgada se fabrica en dos piezas —molde hembra bipartido— y está diseñadopara girar en torno a dos ejes perpendiculares. Una cantidad predosificada dematerial plástico en polvo se pone en el interior del molde tibio. El polvo seobtiene por un proceso de polimerización, en el que se precipita el polvo dentrode un líquido. A continuación se calienta el molde, por lo general en un hornogrande, mientras se hace girar respecto a dos ejes.

Esta acción lanza el polvo contra el molde, y el calentamiento pega entre síel polvo sin derretirlo. En algunas partes se agrega al polvo un agente químicopara formar enlaces cruzados, y el enlazamiento cruzado sucede después de quese haya formado la parte en el molde, debido al calentamiento continuo.

Los polímeros líquidos llamados plastisoles —los más comunes son los devinilo— se usan también en el moldeo de pulpa (o por escurrimiento). Se tratade un proceso en el que el molde se calienta y gira al mismo tiempo. Las partí-culas del material plástico son impulsadas contra las paredes internas del moldecalentado, debido a la acción del giro. Al tocar la pared, el material se funde yla recubre. La parte se enfría mientras sigue girando, y después se saca abriendoel molde.

10.6. Termoconformado

El termoconformado, o conformado en caliente, consta de una serie de pro-cesos para conformar lámina o película de plástico sobre un molde, aplicandocalor y presión. En este proceso se calienta una lámina en un horno hasta elpunto de hundimiento, en el que se produce un reblandecimiento, pero sin llegara la fusión. A continuación la hoja se saca del horno, se coloca sobre un moldey se empuja contra él, por aplicación de vacío. El molde se encuentra normal-mente a temperatura ambiente, por lo que la forma del plástico se establece altocar el molde. Por la pequeña resistencia de los materiales que se forman así,la diferencia de presiones debida al vacío suele bastar para la formación, aunquetambién, para algunas piezas, se aplican presión de aire o métodos mecánicos.

Los moldes para termoconformado suelen ser de aluminio, porque no senecesita que tengan una gran resistencia. Los orificios en los moldes suelen tenermenos de 0,5 mm para no dejar marcas en las piezas conformadas.


10.7. Moldeo por compresión

En el moldeo por compresión se coloca una carga preformada de material,un volumen predosificado de polvo o una mezcla viscosa de resina líquida y unacarga, directamente en la cavidad de un molde calentado. El moldeo se hacebajo presión desde un tapón, o desde la parte superior del molde. El moldeo porcompresión causa la formación de una rebaba, que a continuación se elimina,recortándola o mediante otros métodos.

Las piezas que se suelen fabricar así son platos, manijas, tapas de recipientes,conexiones, componentes eléctricos y electrónicos, etcétera. Las fibras largas yseccionadas sólo se fabrican por este método.

El moldeo por compresión se usa principalmente con resinas termofijas, es-tando el material original en estado parcialmente polimerizado. El enlazamientocruzado se completa en la matriz calentada; los tiempos de curado van de 0,5 a5 minutos, dependiendo del material y del espesor y la geometría de la pieza.

Hay tres clases de moldes de compresión disponibles: el de tipo rebaba, pa-ra piezas superficiales o planas; el positivo, para piezas de alta densidad; y elsemipositivo, para producciones de gran calidad.

10.8. Moldeo por transferencia

El moldeo por transferencia representa un desarrollo posterior del moldeopor compresión. El material termofijo sin curar se coloca en una olla o cámara detransferencia calentada. Después de calentado el material, se inyecta en moldescalentados y cerrados. Un vástago, émbolo o tornillo alimentador giratorio —según el tipo de máquina usada— impulsa el material, que fluye a través decanales delgados y entra en la cavidad del molde.

Este proceso genera una cantidad considerable de calor, que eleva la tem-peratura del material y lo homogeneíza. El curado se hace por enlazamientocruzado. Como la resina está fundida al entrar en los moldes, la complejidad yel control dimensional de las partes se acercan a los del moldeo por inyección.

Entre las piezas que se fabrican mediante moldeo por transferencia estáncomponentes eléctricos y electrónicos, así como piezas de hule y silicona. Elproceso se adapta muy bien a las formas intrincadas, con distintos espesores depared.

10.9. Colado

Algunos termoplásticos, como los nailons y los acrílicos, y algunos plásticostermofijos como los epóxicos, fenólicos, poliuretanos o poliéster, se pueden colaren moldes rígidos o flexibles, con una diversidad de formas. Entre las partes

132 10.9. Colado

que se suelen fabricar así están engranajes, cojinetes, ruedas, láminas gruesas ycomponentes que necesiten tener resistencia al desgaste por abrasión.

– En el colado convencional de los termoplásticos, se vierte una mezcla demonómero, catalizador y diversos aditivos, después de calentarla. La partese forma después de efectuarse la polimerización a presión atmosférica. Sepueden producir formas intrincadas con moldes flexibles, que después sedesprenden, pudiendo ser necesaria una desgasificación para conservar laintegridad del producto.

– Vaciado o fundición centrífuga. Este proceso se usa también con plásti-cos, incluyendo los plásticos reforzados con fibras cortas. Los polímerostermofijos son fundidos en forma similar; las piezas típicas producidas sonsimilares a las fabricadas con fundición de polímeros termoplásticos.

– Sembrado y encapsulado. Una variación del colado, importante en la indus-tria eléctrica y electrónica, es el sembrado (potting) y el encapsulado. Esteproceso consiste en colar el plástico en torno a un componente eléctrico,para embeberlo en el plástico. El sembrado se hace en una caja, que esparte integral del producto. En el encapsulado, el componente se recubrecon una capa de plástico solidificado.

– Moldeo y colado de espuma. Los productos tales como los vasos y losplatos para alimentos de espuma de estireno, los bloques aislantes y losmateriales moldeados de embalaje se fabrican por moldeo de espuma. Elmaterial es poliestireno expandible. Se colocan unas perlas de poliestireno(obtenidas polimerizando el monómero de estireno) en un molde, con unagente espumante, y se exponen al calor, normalmente con vapor de agua.En consecuencia, las perlas se expanden hasta cincuenta veces su tamañooriginal y toman la forma del molde. Se puede controlar la cantidad deexpansión haciendo variar la temperatura y el tiempo.

Un método común de moldeo es usar perlas preexpandidas, en el que lasperlas se expanden parcialmente con vapor en una cámara sin tapa. Acontinuación las perlas se ponen en un silo de almacenamiento y allí sedejan estabilizar durante tres a doce horas. Después se pueden moldear enla forma descrita anteriormente.

Las perlas de poliestireno se consiguen en tres tamaños: pequeño, paravasos; mediano, para formas moldeadas; y grande, para moldear bloquesaislantes que, a continuación, se pueden cortar a su tamaño. El tamaño deperla seleccionado depende del espesor mínimo de la pared del producto.

El procesamiento de espuma de poliuretano, para obtener productos comocojinetes y bloques aislantes, consiste en varios pasos. En forma básica,comienza mezclando dos o más componentes químicos; la reacción formauna estructura celular que se solidifica en el molde.


10.10. Conformado en frío y en fase sólida

Los procesos que se han usado en el trabajo de los metales en frío, comolaminado, embutición profunda, extrusión, estampado, acuñado y conformadocon hule, también se pueden usar para moldear muchos termoplásticos a tempe-ratura ambiente (conformado en frío). Entre los materiales característicos quese moldean están el polipropileno, policarbonato, abs (acrilonitrilo-butadieno-estireno) y pvc rígido.

Deben tenerse en cuenta principalmente dos cuestiones: primero, el materialdebe ser suficientemente dúctil a temperatura ambiente, con lo que los poliesti-renos acrílicos y los termofijos no se pueden moldear; segundo, la deformacióndel material no debe ser recuperable, para minimizar la restitución y la fluencia.

Las ventajas del conformado de los plásticos en frío por encima de otrosmétodos de moldeo son las siguientes: aumentan la resistencia, la tenacidad y laelongación uniforme; se pueden usar con altos pesos moleculares y así fabricarpiezas con mejores propiedades; las velocidades de formación no se ven afectadaspor el grosor de la pieza, porque no intervienen calentamiento ni enfriamiento;por regla general, los tiempos de ciclo son más cortos que en los procesos demoldeo.

El conformado en fase sólida se realiza a temperaturas de 10 a 20 ◦C meno-res que la temperatura de fusión del plástico (cuando es un polímero cristalino),mientras aún está en estado sólido. Las ventajas sobre el conformado en frío sonque las fuerzas de conformado y restitución son menores.

10.11. Procesamiento de elastómeros

Los elastómeros se pueden moldear mediante varios procesos de los quetambién se usan para moldear los termoplásticos. Los elastómeros termoplás-ticos se suelen formar por moldeo por extrusión o inyección; la extrusión es elproceso más económico y rápido. En términos de sus características de procesa-miento, un elastómero termoplástico es un polímero; en términos de su funcióny desempeño, es un hule.

Estos polímeros también se pueden moldear por soplado o por termocon-formado. El poliuretano termoplástico se puede moldear por todos los métodosconvencionales; también se puede mezclar con hules termoplásticos, compues-tos con cloruro de vinilo, con abs y con nailon. Es importante la capacidadde secado de los materiales. Para la extrusión, las temperaturas se encuentranentre 170 y 230 ◦C. Los productos característicos de elastómero extruido sontubos, mangueras, moldes y cámaras de neumático. Los productos moldeadospor inyección abarcan una amplia gama de aplicaciones, como componentes deautomóviles y electrodomésticos.

Las láminas de hule y de algunos termoplásticos se forman por el procesode calandrado, en el que una masa tibia del compuesto se alimenta a una serie

134 10.12. Procesamiento de plásticos reforzados

de rodillos y es masticada, desprendiéndose en forma de hoja. El hule tambiénse puede formar sobre las dos superficies de un forro de tela. Los productosdiscretos de hule, como por ejemplo los guantes, se fabrican sumergiendo unmolde metálico varias veces en una mezcla líquida que se adhiere al molde. Acontinuación se vulcaniza, por lo general en vapor, y se desprende del molde.

10.12. Procesamiento de plásticos reforzados

Los plásticos reforzados pueden diseñarse para cumplir con requisitos espe-cíficos, como por ejemplo grandes relaciones entre resistencia y peso, así comoresistencia a la termofluencia o deformación gradual. Debido a su estructuraúnica, los plásticos reforzados requieren métodos especiales para moldearlos yformar con ellos productos útiles.

El cuidado que se requiere y los diversos pasos de fabricación de estos plás-ticos hacen que los costos de procesamiento sean apreciables y que, en general,no sean competitivos con los materiales y las formas tradicionales. Un asuntoimportante para la seguridad y el ambiente, en los plásticos reforzados, es elpolvo que se genera durante el procesamiento.

Normalmente, se pueden fabricar los plásticos reforzados con los métodosque se describen en este capítulo, además de cierto margen por la presenciade más de una clase de material en el compuesto. El refuerzo puede ser defibras cortadas, tela tejida, mecha o hilos (fibras ligeramente torcidas), o bienen tramos continuos de fibra.

Para obtener buena adhesión entre las fibras de refuerzo y la matriz de polí-mero, así como para protegerlas durante el procesamiento siguiente, las fibras setratan superficialmente por impregnación (encolado). Se suelen agregar fibrascortas a los termoplásticos para el moldeo por inyección; para el moldeo porinyección y reacción se pueden usar fibras molidas; las fibras más largas trocea-das se usan principalmente en el moldeo de plásticos reforzados por compresión.Cuando se realiza la impregnación como paso aparte, las láminas que resultan,parcialmente curadas, poseen nombres diversos:

– Preimpregnados o prepegs. En un procedimiento habitual para fabricarpreimpregnados, las fibras continuas se alinean primero y después se so-meten al tratamiento superficial, para aumentar la adhesión a la matrizde polímero. A continuación se recubren, sumergiéndolas en un baño deresina, y por último se conforman en una lámina o cinta.

– Compuesto de moldeo de láminas (smc, sheet-molding compound). Lashebras continuas de fibra reforzada se cortan primero en tramos cortosy después se depositan en direcciones aleatorias sobre una capa de pastade resina, que normalmente es una formulación de poliéster que puedecontener rellenos como diversos polvos minerales depositada a su vez enuna película de un polímero como polietileno. Encima se deposita unasegunda capa de pasta de resina, y la lámina se comprime entre rodillos. Elproducto se forma en rollos o se pone en capas en recipientes y se almacena


hasta que ha pasado un período de maduración, tiempo en el que alcanzala viscosidad adecuada para el moldeo. El proceso de maduración se llevaa cabo a temperatura y humedad controladas, y normalmente dura un día.

– Compuesto de moldeo volumétrico (bmc, bulk-molding compound). Estoscompuestos tienen la forma de palanquillas en general de hasta 50 mm dediámetro y se fabrican de la misma manera que los smc, con el procesode extrusión para obtener una forma a granel. También se denominancompuestos de moldeo de masa (dmc, dough-molding compounds).

– Compuesto de moldeo grueso (tmc). Estos compuestos combinan una ca-racterística de los bmc (menor costo) con una de los smc (mayor resis-tencia). Se suelen moldear por inyección, con fibras troceadas de diversaslongitudes. Una de sus aplicaciones es la fabricación de componentes eléc-tricos, por la alta rigidez dieléctrica de los tmc.

10.12.1. Moldeo

Existen diversos procesos de moldeo para plásticos reforzados:

– En el moldeo por compresión, el material se pone entre dos moldes y seaplica presión. Según el material, los moldes pueden estar a temperaturaambiente, o ser calentados para acelerar el endurecimiento.

– En el moldeo en bolsa al vacío, los preimpregnados se tienden en un mol-de formando el contorno deseado. En este caso, la presión necesaria paramoldear el producto y desarrollar buena adhesión se obtiene cubriendo eltendido con una bolsa de plástico y creando un vacío. Para evitar que laresina se pegue a la bolsa de vacío y para facilitar la eliminación de suexceso, se colocan varias láminas de diversos materiales (tela de despren-dimiento, tela de purga) sobre las láminas de preimpregnado.

– Los procesos de moldeo por contacto usan un solo molde macho o hembrahecho de materiales como plásticos reforzados, madera o yeso. El moldeopor contacto se usa para fabricar productos con grandes relaciones deárea a espesor, como por ejemplo piscinas, lanchas, etc. El método mássencillo es el de tendido a mano. En él los materiales se tienden y seconforman en el molde a mano, y por exprimido se expulsa todo el aireatrapado y se compacta la pieza. El moldeo se puede hacer por aspersión(rociado). Aunque la aspersión se puede automatizar, estos procesos sonrelativamente lentos y los costos de mano de obra son elevados.

– El moldeo por transferencia de resina se basa en el moldeo por transfe-rencia: se mezcla una resina con un catalizador y se fuerza a pasar a lacavidad del molde mediante una bomba de pistón del tipo de desplaza-miento positivo, dentro de la cavidad del molde, que es llenado con fibrade refuerzo.

– Moldeo por transferencia e inyección. Se trata de una operación automati-zada que combina el moldeo por compresión, el moldeo por inyección y el

136 10.13. Procesamiento de materiales compositos con matriz de metal

moldeo por transferencia. Se está investigando el potencial de este proce-so, en vista del buen acabado superficial, la estabilidad dimensional y laspropiedades mecánicas, propias del moldeo por compresión, combinadascon la gran capacidad de automatización y el bajo costo del moldeo porinyección y el de transferencia que se alcanzan.

10.12.2. Devanado de filamento, pultrusión y pulformado

– Devanado de filamento. Es un proceso en el que se combinan la resina ylas fibras durante el curado. Las piezas con simetría axial, como tubos ytanques de almacenamiento, y hasta piezas asimétricas, se producen enun mandril rotatorio. Los productos fabricados con devanado de filamentoson muy resistentes, por su estructura tan reforzada.

– Pultrusión. Las formas largas con diversas secciones uniformes, como porejemplo varillas, perfiles y tubo, de tipos parecidos a los de productosmetálicos extruidos, se fabrican con el proceso de pultrusión. Éste fuedesarrollado a principios de la década de los cincuenta, y consiste en jalarun refuerzo continuo (colchoneta o tela) a través de un baño de polímerotermofijo, y después a través de un dado de acero largo y caliente. Elproducto se cura durante su paso por el molde.

– Pulformado. Los productos reforzados en forma continua sin seccionestransversales constantes son fabricados por pulformado. Después de tirarde él a través de un baño de polímero, el material compuesto se sujeta entrelas dos mitades en un molde y se cura hasta llegar al producto terminado.Los moldes se recirculan y moldean en forma sucesiva a los productos.

10.12.3. Consideraciones de calidad en el procesamiento deplásticos reforzados

Las principales consideraciones de calidad acerca de los procesos que se handescrito hasta aquí en el capítulo conllevan la formación de vacíos internos yhuecos entre capas sucesivas de material. Los gases volátiles que se producendurante el proceso deben poder escapar del tendido a través de la bolsa de vacíopara evitar porosidades debidas a los gases atrapados. Se pueden desarrollarmicrogrietas durante un curado impropio, o durante el transporte y manejo.Estos defectos se pueden descubrir con barrido ultrasónico y con otras técnicas.

10.13. Procesamiento de materiales compositoscon matriz de metal

Los tres métodos para fabricar materiales compositos con matriz de metal(mmc) son los siguientes:


– Procesamiento en fase líquida, que consiste fundamentalmente en colar lamatriz de líquido y el refuerzo sólido con alguno de los procesos conven-cionales de colado o el colado con infiltración de presión.

– Procesos en fase sólida, que consisten en técnicas de pulvimetalurgia, in-cluyendo el prensado isostático frío o caliente. Es importante el mezcladoadecuado para obtener una distribución homogénea de las fibras. En la fa-bricación de piezas complejas de matriz metálica con refuerzo de triquitaso de fibras, son muy importantes la geometría de la matriz y el control delproceso, para asegurar la buena distribución y orientación de las fibras enel interior de la pieza.

– Las técnicas que se usan en el procesamiento en dos fases (líquido y sólido)consisten en el rheocasting y en la atomización y deposición.

10.14. Procesamiento de materiales compuestoscon matriz de cerámico

La infiltración por escurrimiento (slurry) es el proceso más común. Implicala preparación de una preforma de fibra, que se prensa en caliente y a continua-ción se impregna con un lodo (que contiene el polvo de la matriz), un líquidoportador y un aglomerante orgánico. Un desarrollo de este proceso es la adhe-sión con reacción, o sinterizado con reacción del lodo. El uso de la infiltración delodo proporciona alta resistencia, tenacidad y estructura uniforme, pero el pro-ducto posee propiedades limitadas a alta temperatura, por la baja temperaturade fusión de los materiales de matriz que se usan.

Los procesos de síntesis química implican técnicas como sol-gel y polímero-precursor. En el proceso sol-gel, un sol, que es un fluido coloidal con líquido comofase continua, y que contiene fibras, se convierte en un gel, que a continuaciónse somete a tratamiento térmico para producir un compuesto con matriz decerámico. El método polímero-precursor se parece al proceso para fabricar fibrasde cerámico.

En la infiltración química de vapor se infiltra una preforma porosa de fibracon la fase de la matriz, usando técnicas de deposición de vapor. El productotiene muy buenas propiedades a alta temperatura, pero el proceso es costoso ylento.

10.15. Consideraciones de diseño y economía pa-ra el moldeo y conformado de plásticos

Comparados con los metates, los plásticos tienen menor resistencia y ri-gidez, aunque las relaciones de resistencia a peso y de rigidez a peso en losplásticos reforzados es mayor que en muchos metales. En consecuencia, se de-ben seleccionar los tamaños de los perfiles tratando de mantener un módulo de

138 10.15. Consideraciones de diseño y economía

sección alto para tener mejor rigidez. Además, el refuerzo con fibras o partículaspuede ser muy eficaz para lograr este objetivo, al igual que el diseño de perfilestransversales con una gran relación entre momento de inercia y área.

Una de las principales ventajas del diseño con plásticos reforzados es la natu-raleza direccional de la resistencia del material composito. Las fuerzas aplicadasal material son transferidas por la matriz de resina a las fibras, que son muchomás resistentes y rígidas que la matriz. Cuando todas las fibras están orienta-das en una dirección, el material compuesto que resulta tiene una resistenciaexcepcional en esa dirección.

Para obtener resistencia en dos direcciones principales, se suelen tenderdos capas individuales unidireccionales en los ángulos adecuados entre sí. Si sedesea obtener resistencia en la tercera dirección (el espesor), se usa un materialcompuesto de tipo distinto, para formar una estructura de emparedado.

Las propiedades físicas, en especial un alto coeficiente de dilatación térmica(y por consiguiente de contracción) son importantes. El diseño o el ensamblajeinadecuado de la pieza puede originar torcimientos y contracción.

Las propiedades del producto final dependen del material original y de suhistoria de procesamiento. El trabajo de los polímeros en frío mejora su resisten-cia y tenacidad. Por otro lado, debido a la falta de uniformidad en la deformación(aun en un laminado sencillo), se desarrollan esfuerzos residuales en los políme-ros, así como en los metales. Estos esfuerzos se pueden generar también porciclos térmicos en la pieza. La magnitud y la dirección de los esfuerzos residua-les, independientemente de cómo se produzcan, son factores importantes. Estosesfuerzos pueden desaparecer después de cierto tiempo, y causar distorsión dela pieza durante su vida útil.

Tema 11

Procesos de conformado

mediante técnicas

pulvimetalúrgicas y de

prototipado rápido

11.1. Introducción

El proceso de la pulvimetalurgia fue empleado por primera vez por los egip-cios, en torno al 3000 a.C., para fabricar herramientas de hierro. Una de lasprimeras aplicaciones modernas tuvo lugar a comienzos del siglo xx para fabri-car filamentos de tungsteno para lámparas incandescentes. La disponibilidad deuna gran variedad de formulaciones en polvo, la posibilidad de producir partesdirectamente a sus dimensiones finales (i.e., a forma neta y la economía de laoperaciones en general hacen atractivo este proceso para muchas aplicaciones.

Los productos que se suelen fabricar con técnicas de pulvimetalurgia vandesde esferas diminutas para bolígrafos, engranajes, levas y bujes, productosporosos tales como filtros y cojinetes impregnados de aceite, hasta una diver-sidad de partes de vehículos (que hoy en día forman el setenta por ciento delmercado de la pulvimetalurgia), como anillos de pistón, guías de válvulas, bielasy pistones hidráulicos. Un automóvil común contiene hoy, en promedio, 11 kilo-gramos de partes metálicas de precisión fabricadas mediante pulvimetalurgia, yse estima que dicha cantidad aumentará en breve hasta 22 kilogramos.

Los metales que más se emplean en la pulvimetalurgia son el hierro, cobre,aluminio, estaño, níquel, titanio y metales refractarios. Para piezas de latón,bronce, aceros y aceros inoxidables se emplean polvos prealeados, donde cadapartícula de polvo es en sí una aleación.

La metalurgia de polvos se ha vuelto competitiva con procesos como fun-dición, forjado y maquinado, en especial para piezas relativamente complejashechas de aleaciones duras y de alta resistencia. Actualmente, el avance de la

140 11.2. Producción de metales en polvo

tecnología permite fabricar partes estructurales de aviones —como por ejem-plo trenes de aterrizaje, soportes, rodetes y compartimentos de motores— pormedio de la pulvimetalurgia.

Por su parte, los productos de vidrio se fabrican fundiéndolos y moldeán-dolos con moldes, máquinas y diversos dispositivos, o soplándolos. Entre lasformas que se producen están el vidrio plano, las varillas, las fibras de vidrio, eltubo y piezas discretas como botellas. La resistencia del vidrio se puede mejorarmediante tratamientos térmicos y químicos.

11.2. Producción de metales en polvo

La pulvimetalurgia consiste, básicamente, en las siguientes operaciones: pro-ducción de polvo, mezclado, compactación, sinterización, operaciones de acaba-do. Para mejorar la calidad y la exactitud dimensional, o en aplicaciones espe-ciales, pueden llevarse a cabo procesos adicionales: acuñado, dimensionamiento,forjado, maquinado, infiltración, resinterización. . .

11.2.1. Métodos de producción de polvos

Existen varios métodos para producir metales en polvo, y en la mayor partede los casos los polvos metálicos se pueden producir con más de un método. Laelección depende de los requisitos del producto final. Los tamaños de partícu-la van de 0,1 a 1000 µm. Las materias primas metálicas suelen ser metales yaleaciones a granel, menas, sales u otros compuestos.

La forma, tamaño, distribución, porosidad, pureza química y las caracterís-ticas a granel y superficiales de las partículas dependen del proceso específicoque se use. Estas características son importantes porque afectan mucho al flujoy a la permeabilidad durante la compactación, y a las operaciones siguientes desinterización.

1. Atomización. La atomización produce una corriente de metal líquido inyec-tando un metal fundido en un orificio pequeño. La corriente se desintegracon chorros de gas inerte, aire o agua. El tamaño de las partículas quese forman depende de la temperatura del metal, el caudal, el tamaño dela boquilla y las características de los chorros. En una variante de estemétodo, se hace girar un electrodo consumible, rápidamente, en una cá-mara llena de helio. La fuerza centrífuga desintegra la punta fundida delelectrodo y forma partículas metálicas.

2. Reducción. La reducción de óxidos metálicos requiere gases tales como hi-drógeno o monóxido de carbono como agentes reductores. Con este métodolos óxidos metálicos muy finos se reducen y pasan al estado metálico. Lospolvos producidos mediante este método son muy esponjosos y porosos, yposeen formas esféricas o angulares, de tamaño uniforme.

11. Técnicas pulvimetalúrgicas y de prototipado rápido 141

3. Deposición electrolítica. En este método se usan soluciones acuosas o sa-les fundidas. Los metales producidos son de lo más puro que se puedeconseguir.

4. Carbonilos. Los carbonilos metálicos, como el carbonilo de hierro Fe(CO)5y el de níquel Ni(CO)4, se forman haciendo reaccionar hierro o níquel conel monóxido de carbono. Los productos de reacción se descomponen a con-tinuación para obtener hierro y níquel, en forma de partículas pequeñas,densas y uniformemente esféricas, de gran pureza.

5. Pulverización. La pulverización mecánica implica la fragmentación, molidoen molino de bolas o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles paraobtenerlos en pequeñas partículas. Un molino de bolas es una máquinacon un cilindro giratorio hueco, lleno en parte con bolas de acero o defundición blanca.

6. Aleación mecánica. En este proceso, desarrollado en la década de los sesen-ta, se mezclan polvos de dos o más metales puros en un molino de bolas.Debido al impacto de las bolas duras, los polvos se rompen y se unen entresí por difusión, formando polvos de aleación.

7. Otros métodos. Otros métodos que se emplean con menos frecuencia son: laprecipitación de una solución química; la producción de esquirlas metálicasfinas mediante maquinado; y la condensación de vapor. Entre los nuevosavances se incluyen técnicas basadas en procesos de metalurgia extractivaa alta temperatura.

8. Nanopolvos. Entre los nuevos desarrollos se encuentra la producción denanopolvos de cobre, aluminio, hierro, titanio y otros metales. Como estospolvos son pirofóricos (se encienden espontáneamente) o se contaminancon facilidad al exponerlos al aire, se embarcan en forma de lodos espesosbajo hexano gaseoso. Cuando el material se somete a una gran deforma-ción plástica por compresión y corte, a valores de esfuerzo de 5500 MPadurante el procesamiento de los polvos, el tamaño de partícula se redu-ce y el material se vuelve no poroso, y sus propiedades se vuelven másfavorables.

9. Polvos microencapsulados. Estos polvos metálicos están totalmente recu-biertos con un aglomerante. Para aplicaciones eléctricas como fabricaciónde componentes magnéticos de bobinas de ignición y otras donde se usanimpulsos de alterna y continua, el aglomerante funciona como aislante,evitando que la electricidad pase entre las partículas, reduciendo así laspérdidas por corrientes parásitas. Los polvos se compactan con prensadoen semicaliente; se usan con el aglomerante en su lugar.

11.2.2. Tamaño, distribución y forma de las partículas

El tamaño de partícula se suele medir cribando, i.e., pasando el polvo me-tálico a través de cribas de distintos tamaños de malla. El análisis de mallas sehace con una pila vertical de cribas, reduciéndose el tamaño de malla a medida

142 11.2. Producción de metales en polvo

que el polvo va hacia abajo por la pila. Mientras mayor es el tamaño de malla,la abertura en la criba es menor.

Además del análisis de mallas también hay otros métodos para analizarel tamaño de partícula. Se trata de: sedimentación, que implica medir la rapi-dez con la que se asientan las partículas en un fluido; microscopía, que puedeimplicar el uso de microscopía electrónica de barrido; dispersión de luz de unláser que ilumina un muestra de partículas suspendidas en un medio líquido,produciéndose una dispersión diferenciada según el tamaño de las partículas ycalculándose dicha dispersión y, con ella, la distribución de tamaños; mediosópticos, como el bloqueo de un rayo por las partículas, que se detecta medianteuna célula fotoeléctrica; y, por último, suspensión de partículas en un líquido ydetección de la distribución de tamaños mediante sensores ópticos.

La forma de la partícula posee gran influencia sobre las características delprocesamiento. Se suele describir en función de la relación de aspecto o del factorde forma. La relación de aspecto es el cociente entre las dispersiones máxima ymínima de una partícula. Esta relación va desde la unidad (para una partículaesférica hasta diez, más o menos, para partículas fusiformes o en forma de hoja.Por su parte, el factor de forma, o índice de forma, es una medida de la relacióndel área de la superficie de la partícula entre su volumen, normalizada conrespecto a una partícula esférica de volumen igual. Así, por ejemplo, el factorde forma de una hoja es mayor que el de una esfera.

11.2.3. Mezclado de polvos metálicos

El mezclado de polvos es el segundo paso en la metalurgia de polvos. Selleva a cabo con los siguientes objetivos:

– Como los polvos fabricados por diversos procesos poseen distintos tamañosy formas, deben mezclarse para obtener uniformidad. La mezcla ideal esaquella en la que todas las partículas de cada material se distribuyenuniformemente.

– Se pueden mezclar polvos de distintos metales y otros materiales para im-partir propiedades y características físicas y mecánicas especiales al pro-ducto.

– Se pueden mezclar lubricantes con los polvos para mejorar sus caracterís-ticas de flujo. Se obtiene una menor fricción entre las partículas metálicas,menor flujo de los metales en polvo hacia los moldes y mayor vida de lasmatrices.

El mezclado de los polvos se debe hacer bajo condiciones controladas paraevitar contaminaciones o deterioro. El deterioro se debe a un exceso de mezcla-do, que puede modificar la forma de las partículas y endurecerlas por trabajo,dificultando así la siguiente operación de compactación. Los polvos se puedenmezclar en aire, en atmósferas inertes (para evitar la oxidación) o en líquidos,que funcionan como lubricantes y hacen más uniforme la mezcla. Se dispone de


varios tipos de equipo de mezclado. Para mejorar y conservar la calidad, estasoperaciones tienden a ser controladas mediante microprocesadores.

Riesgos Por su gran relación de superficie a volumen, los polvos metálicos sonexplosivos, en especial el aluminio, magnesio, titanio, circonio y torio. Se debetener gran cuidado durante el mezclado y en el almacenamiento y manejo. Entrelas precauciones están: la conexión del equipo a tierra; la prevención de chispas;y la prevención de nubes de polvo, llamas descubiertas y reacciones químicas.

11.3. Compactación de polvos metálicos

La compactación es el paso en el que los polvos mezclados se prensan enmatrices o moldes para obtener las formas deseadas. Las prensas que se usanson de acción hidráulica o neumática. Los objetivos de la compactación sonobtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios para que laparte adquiera la resistencia suficiente y se pueda seguir procesando.

El polvo prensado se llama comprimido crudo o en verde. El polvo debe fluircon facilidad para llenar bien la cavidad del molde. El prensado se suele hacera temperatura ambiente, aunque también se puede hacer a altas temperaturas.

La densidad del comprimido crudo depende de la presión aplicada. Al au-mentar la presión de compactación, la densidad tiende a la del metal macizo.Otro factor importante es la distribución de tamaños de las partículas. Si todasellas son del mismo tamaño, siempre habrá algo de porosidad cuando se compac-ten (teóricamente, cuando menos el 24 por ciento del volumen). Sin embargo,si se introducen esferas más pequeñas éstas pueden llenar los espacios entre laspartículas mayores y así producir una mayor densidad del comprimido.

Mientras mayor sea la densidad, mayores serán la resistencia y el módulode elasticidad de la pieza. La razón estriba en que, al aumentar la densidad,será mayor la cantidad de metal en el mismo volumen, por lo que aumentarásu resistencia contra las fuerzas externas. Por la fricción entre las partículasmetálicas del polvo, y la fricción entre los punzones y las paredes del dado, ladensidad en el interior de la pieza puede variar de forma considerable.

Esta variación se puede reducir al mínimo con un diseño correcto de punzóny matriz, así como controlando la fricción. Podrá necesitarse, por ejemplo, usarvarios punzones con movimientos separados para asegurar que la densidad seacasi uniforme en toda la parte.

11.3.1. Equipo

La presión necesaria para prensar metales en polvo va de 70 MPa para elaluminio hasta 800 MPa para partes de hierro de alta densidad. La presión decompactación necesaria depende de las características y la forma de las partí-culas, del método de mezclado y del lubricante.

144 11.3. Compactación de polvos metálicos

Las capacidades de las prensas van de 1,9 a 2,7 MN, aunque también se usanprensas de capacidades mucho mayores en aplicaciones especiales. En la mayorparte de las aplicaciones se requieren menos de 100 toneladas. Para fuerzas pe-queñas se usan prensas mecánicas, de manivela o excéntricas; para capacidadesmayores se emplean prensas de rótula o de palanca. Las prensas hidráulicas concapacidades de hasta 45 MN se pueden usar para partes grandes.

La selección de la prensa depende del tamaño y la configuración de la pieza,de la densidad requerida y de la tasa de producción. Sin embargo, si aumentala rapidez de prensado, aumentará la tendencia de la pieza a aprisionar aire enla cavidad de la matriz, impidiendo una correcta compactación.

11.3.2. Prensado isostático

Se puede mejorar la compactación con procesos adicionales como, por ejem-plo, prensado isostático, laminado y forjado. Como la densidad de los polvoscompactados puede variar bastante, los comprimidos crudos se pueden sometera presión isostática para lograr una mayor compactación.

En el prensado isostático en frío (pif), el polvo metálico se pone en un moldeflexible de hule de neopreno, uretano, policloruro de vinilo u otro elastómero. Acontinuación se presiona hidrostáticamente el conjunto en una cámara, por logeneral con agua. La presión más frecuente es 400 MPa, aunque se pueden usarpresiones de hasta 1000 MPa.

En el prensado isostático en caliente (pic), el recipiente se hace de metallaminado con alto punto de fusión, y el medio de presión es un gas inerte oun fluido vítreo. Las condiciones normales de un pic son 100 MPa a 1100◦C,aunque la tendencia actual es hacia mayores presiones y temperaturas. La ven-taja principal del pic es su capacidad de producir comprimidos que tienen casiel cien por cien de la densidad, buena unión metalúrgica entre las partículas ybuenas propiedades mecánicas.

El proceso de prensado isostático en caliente se usa principalmente parafabricar componentes de superaleaciones para las industrias aeronáutica y ae-roespacial, así como en aplicaciones militares, médicas y químicas. Con esteproceso también se cierra la porosidad interna y se mejoran las propiedadesen coladas de superaleaciones y de aleaciones de titanio para la industria ae-roespacial. También se usa en forma rutinaria como paso de densificación finalpara buriles de carburo de tungsteno y con aceros para herramientas hechos conpulvimetalurgia.

Las principales ventajas del prensado isostático son las siguientes:

– Por la uniformidad de la presión en todas direcciones y la ausencia de fric-ción con la pared del molde, produce compactados con densidad total, deestructura granular y densidad prácticamente uniforme —en consecuencia,estos compactados poseen propiedades isotrópicas—, independientementede la forma. Se han producido piezas con grandes relaciones de longitud adiámetro con densidad, resistencia y tenacidad muy uniformes, así como


con buen detalle superficial.

– Es capaz de manejar piezas mucho mayores que los demás métodos decompactación.

Las principales limitaciones son:

– Hay tolerancias dimensionales mayores que las obtenidas con otros proce-sos de compactación.

– El costo y el tiempo son mayores que los que requieren los demás procesos.

– Sólo se aplican a producciones relativamente pequeñas —por ejemplo, demenos de diez mil piezas al año—.

11.3.3. Otros procesos de compactación y moldeo

Moldeo de metales por inyección En este proceso, también denominado mol-deo por inyección, se mezclan polvos metálicos muy finos (< 10 µm) con unpolímero o bien con un aglomerante a base de cera. Los compactados verdesse colocan en un horno de baja temperatura para quemar el plástico, o biense elimina el aglomerante por extracción con disolventes. A continuación, sesinterizan los comprimidos.

Los metales adecuados para el moldeo por inyección son los aceros al car-bono y los inoxidables; para herramientas, el cobre, bronce y titanio. Las piezascaracterísticas que se fabrican son partes para relojes, cañones de armas depequeño calibre, radiadores, partes para automóviles y bisturís.

Las principales ventajas del moldeo de metales por inyección, con respectoa la compactación convencional, son las siguientes:

– Se pueden moldear formas complejas, con espesores de pared de hasta 5mm, y después se desprenden con facilidad de las matrices.

– Las propiedades mecánicas son casi iguales a las de los productos forjados.

– Las tolerancias dimensionales son buenas.

– Se pueden alcanzar grandes tasas de producción usando matrices de huecosmúltiples.

La principal limitación de este proceso es que sus piezas deben ser relati-vamente pequeñas, y normalmente se limitan a 250 g; ello se debe, a su vez, alalto coste de los polvos metálicos finos que se requieren.

Laminado En el laminado de polvos, también denominado compactación conrodillos, se alimenta el polvo al hueco entre los dos rodillos de una laminadora yse compacta formando una banda continua con velocidad de hasta 0,5 m/s. El

146 11.3. Compactación de polvos metálicos

proceso de laminado se puede hacer a temperatura ambiente o más elevada. Coneste proceso se fabrica la lámina para componentes eléctricos y electrónicos, asícomo la que se usa para el acuñado de monedas.

Extrusión Los polvos se pueden compactar por extrusión; para ello se confinanen un recipiente metálico y se extruyen. Después de sinterizadas, las partespreformadas con metalurgia de polvos se pueden recalentar para estamparlas asu forma final. Por ejemplo, los polvos de superaleaciones se extruyen en calientepara mejorar sus propiedades.

Compactación sin presión En este método, la matriz se llena por gravedadcon polvo metálico, que se sinteriza directamente dentro de ella. Por la bajadensidad que se obtiene, la compactación sin presión se usa principalmente parafabricar partes porosas, tales como filtros.

Moldes de cerámica Los moldes de cerámica para fabricar polvos metálicosse fabrican con la misma técnica de la fundición por revestimiento. Despuésde fabricado el molde se llena con polvo de metal y se coloca en un recipientede acero. El espacio entre el molde y el recipiente se rellena con material enpartículas. A continuación se hace el vacío en el recipiente, se sella y se sometea prensado isostático en caliente.

Deposición por rociado La deposición por rociado es un proceso de generaciónde forma. Los componentes básicos de este proceso, para polvos metálicos, son:un atomizador; una cámara de aspersión con atmósfera inerte; y un molde paraproducir preformas. El molde puede tener distintas formas, como por ejemplolingote, tubo, disco y cilindro.

Aunque hay algunas variantes, el más conocido es el proceso Osprey. Des-pués de atomizado, el metal se deposita sobre un molde enfriado de preforma,que normalmente es de cobre o de cerámica, donde se solidifica. Las preformasde deposición por rociado se pueden pasar a otros procesos de moldeo y conso-lidación, como forjado, laminado y extrusión. El tamaño de grano es fino y laspropiedades mecánicas son comparables a las de los productos forjados hechoscon la misma aleación.

11.3.4. Materiales de punzones y matrices

La selección de materiales de punzón y de matriz para la metalurgia depolvos depende de la abrasividad del polvo metálico y de la cantidad de partesque se van a producir. Los metales más comunes en los dados son los aceros deherramienta templables en aire o en aceite, como el D2 y el D3, con durezas de60 a 64 HRC. Por su mayor dureza y resistencia al desgaste, se usan matricesde carburo de tungsteno para aplicaciones más severas. Los punzones se suelenfabricar con materiales parecidos.


Es esencial un estrecho control de las dimensiones del punzón y la matrizpara tener una buena compactación junto con una buena vida de la matriz. Siexiste demasiada holgura entre el punzón y la matriz, el polvo metálico entraráal hueco e interferirá con la operación, causando que las partes sean excéntricas.En general, las holguras diametrales son menores de 25 µm. Se deben lapear opulir las superficies de la matriz y el punzón en la dirección de movimiento delas herramientas, para mejorar su vida y la eficiencia en general.

11.4. Sinterizado

El sinterizado o sinterización es el proceso de calentar los comprimidoscrudos en un horno con una atmósfera controlada, hasta una temperatura menoral punto de fusión pero lo suficientemente alta como para permitir la adhesión(fusión) de las partículas individuales. Antes de la sinterización, el comprimido esfrágil y su resistencia, denominada resistencia en verde, es baja. La naturaleza yla resistencia de la unión entre las partículas y, en consecuencia, del compactadosinterizado, dependen de los mecanismos de difusión, flujo plástico, evaporaciónde materiales volátiles del comprimido, recristalización, crecimiento de granos ycontracción de poros.

Las variables principales en el sinterizado son la temperatura, el tiempo yla atmósfera del horno. Las temperaturas de sinterizado suelen oscilar entre elsetenta y el noventa por ciento del punto de fusión del metal o aleación. Lostiempos de sinterización van de un mínimo de unos diez minutos para aleacionesde hierro y cobre, hasta ocho horas, para tungsteno y tántalo. Los hornos desinterizado continuo, usados hoy para el grueso de la producción, poseen trescámaras: una cámara de quemado para volatilizar los lubricantes del comprimidocrudo, para mejorar la resistencia de adhesión y evitar la rotura; una cámara dealta temperatura para el sinterizado; y una cámara de enfriamiento.

Para obtener las propiedades óptimas es importante el buen control de laatmósfera del horno. Es esencial una atmósfera libre de oxígeno para controlarla cementación y la descarburación de los comprimidos de hierro y a base dehierro, y para prevenir la oxidación de los polvos. En general, se usa vacío parasinterizar aleaciones de metales refractarios y aceros inoxidables. Los gases quemás se usan para sinterizar otros metales son hidrógeno, amoníaco disociado oquemado, hidrocarburos gaseosos parcialmente quemados y nitrógeno.

Los mecanismos de sinterización son complejos: dependen de la composiciónde las partículas metálicas y de los parámetros del procesamiento. Al aumentarla temperatura, dos partículas adyacentes comienzan a formar una liga por elmecanismo de difusión (adhesión en estado sólido). En consecuencia, aumentanla resistencia, ductilidad y las conductividades térmica y eléctrica del comprimi-do. Sin embargo, al mismo tiempo el compactado se contrae, y en consecuenciase deben prever holguras de compactado, como en la fundición de metales.

Un segundo mecanismo de sinterización es el de transporte en fase vapor.Como el material se calienta a temperaturas cercanas a su punto de fusión,hay átomos metálicos que pasan de las partículas a la fase de vapor. En las

148 11.5. Operaciones secundarias y de acabado

geometrías convergentes (i.e., en la interfase entre dos partículas), la tempera-tura de fusión local es mayor y la fase vapor vuelve a solidificar. De este modo,la interfase crece y se fortalece, mientras que cada partícula se contrae en sutotalidad.

Si dos partículas adyacentes son de metales distintos, se puede efectuar laaleación en la interfase entre ellas dos. Una puede tener un punto de fusiónmenor que la otra; en este caso, se podrá fundir una y, por la tensión superficial,rodeará la que no se ha fundido (sinterización en fase líquida). Un ejemplo esel del cobalto en las herramientas y matrices de carburo de tungsteno. Con estemétodo se pueden obtener partes más resistentes y más densas.

En la sinterización de fase líquida, la concentración de los componentes máspesados puede ser mayor en el fondo que en la parte superior, por efecto de lagravedad. Para obtener una distribución más uniforme, se hacen en la actualidadexperimentos en transbordadores espaciales bajo condiciones de microgravedad.

Otro método, todavía en fase experimental, es el sinterizado con chispa. Enél, se ponen polvos metálicos sueltos en un molde de grafito, se calientan concorriente eléctrica, se someten a una descarga de gran energía y se compactan,todo ello en un paso. La descarga rápida expulsa los contaminantes —o todacapa de óxido, por ejemplo en el aluminio— de las superficies de las partículas,promoviéndose así una buena liga durante la compactación, a temperaturaselevadas.

Propiedades mecánicas Según la temperatura, el tiempo y la historia de pro-cesamiento, se pueden obtener distintas estructuras y porosidades en un compri-mido sinterizado, que permiten modificar sus propiedades. No se puede eliminarpor completo la porosidad, porque quedan huecos después de la compactación,yporque durante el sinterizado se desprenden gases. Los poros pueden formar unared de interconexiones o pueden ser huecos cerrados. En general, si la densidaddel material es menor del ochenta por ciento de su densidad teórica, los po-ros están interconectados. La porosidad es una característica importante en lafabricación de filtros y cojinetes por metalurgia de polvos.

Una de las principales ventajas de la metalurgia de polvos es que, a dife-rencia de los componentes forjados, que suelen requerir —a menos que se hayaefectuado un forjado de precisión hasta su forma neta— procesos adicionales demaquinado, los producidos por pulvimetalurgia no suelen requerirlos.

11.5. Operaciones secundarias y de acabado

Para mejorar las propiedades de los productos de metalurgia de polvos opara impartirles características especiales, se pueden efectuar varias operacionesmás después del sinterizado:

– Acuñado y dimensionamiento. Son operaciones de compactación a granpresión, en prensas. Los objetivos de estas operaciones son impartir exac-


titud dimensional en la parte sinterizada y mejorar su resistencia y acabadosuperficial mediante una mayor densificación.

– Un avance importante es usar comprimidos de polvos de aleaciones prefor-madas y sinterizadas, que después se forjan en frío o en caliente hasta susformas definitivas, a veces mediante forjado de impacto. Estos productosposeen un buen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales yun tamaño de grano fino y uniforme. Las mejores propiedades alcanzadashacen que esta técnica sea especialmente adecuada para aplicaciones talescomo la fabricación de componentes automotrices y de motores a reacciónde alto rendimiento.

– La porosidad inherente a los productos de pulvimetalurgia se puede apro-vechar impregnándolos con un fluido. Una aplicación característica consis-te en impregnar la parte sinterizada con aceite, por lo general sumergién-dola en aceite caliente. Los cojinetes y los bujes con lubricación interna,con hasta un treinta por ciento de aceite en volumen, se fabrican con estemétodo. Estos componentes poseen un suministro continuo de lubricante,por acción capilar, durante sus vidas de servicio. Hoy se hacen unionesuniversales mediante técnicas de metalurgia de polvos con impregnaciónde grasas, que ya no requieren graseras.

– La infiltración es un proceso en el que una masa de metal de menor puntode fusión se apoya contra la parte sinterizada, y a continuación se calientael conjunto hasta una temperatura suficiente para fundir dicha masa. Elmetal fundido se infiltra por los poros, por acción capilar, y se produceuna parte relativamente libre de poros, con buena densidad y resistencia.La aplicación más común es la infiltración de comprimidos a base de hierrocon cobre.

Las ventajas de la infiltración son que mejoran la dureza y la resistenciaa la tensión y que los poros se llenan; esto último evita la penetración dehumedad, que podría causar corrosión. También se puede hacer infiltracióncon plomo: debido a la baja resistencia al corte de este metal, la parteinfiltrada desarrolla características de menor fricción que la que no seinfiltró. Algunos materiales para cojinetes se fabrican con este método.

– Las partes hechas con metalurgia de polvos se pueden someter a otrasoperaciones de acabado, como tratamiento térmico —para mejorar la du-reza y la resistencia—, maquinado —para producir diversas característi-cas geométricas por fresado, taladrado y machuelado—, rectificado —paraaumentar la exactitud dimensional y el acabado superficial—, y deposi-ción —para mejorar la apariencia e impartir resistencia al desgaste y a lacorrosión—.

11.6. Consideraciones de diseño en pulvimetalur-gia

– La forma del comprimido debe ser tan simple y uniforme como sea po-sible. Se deben evitar cambios bruscos de contornos, secciones delgadas,

150 11.7. Posibilidades del proceso

variaciones de espesor y grandes relaciones de longitud a diámetro.

– Se debe prever el desmoldeado del comprimido verde de la matriz, sindañarlo.

– Al igual que en la mayor parte de otros procesos, se deben fabricar conpulvimetalurgia las partes con las tolerancias dimensionales más ampliasadecuadas con sus aplicaciones, para aumentar la vida de la herramientay la matriz, y para reducir los costos de producción.

– Las tolerancias dimensionales de las partes fabricadas con pulvimetalurgiasuelen ser del orden de ±0,05 ÷ 0,1 mm; las tolerancias mejoran muchocon operaciones adicionales como dimensionado, maquinado y rectificado.

11.7. Posibilidades del proceso

Las principales ventajas de la pulvimetalurgia son las siguientes:

– Se trata de una técnica para fabricar piezas con metales refractarios dealto punto de fusión, que puede ser difícil o antieconómico producir conotros métodos.

– Permite grandes tasas de producción en piezas relativamente complejas,al usar equipo automatizado que requiere poca mano de obra.

– Permite un buen control dimensional y, en muchos casos, la consiguienteeliminación de operaciones de maquinado y acabado; de esta forma sereducen los desechos y recortes y se ahorra energía.

– La disponibilidad de una amplia gama de formulaciones hace posible laobtención de propiedades mecánicas y físicas especiales, como por ejem-plo rigidez, capacidad de amortiguamiento, dureza y densidad, tenacidady propiedades eléctricas y magnéticas específicas. Algunas de las nuevassuperaleaciones se pueden moldear en partes tan sólo con el proceso depulvimetalurgia.

– Permite la posibilidad de impregnar e infiltrar, en aplicaciones especiales.

En todo caso, existen en el proceso varias limitaciones :

– El alto coste del polvo metálico, en comparación con las materias primaspara fundir o forjar.

– El alto costo de las herramientas y los equipos para pequeñas series deproducción.

– Las limitaciones con respecto al tamaño de la pieza y la complejidad dela forma.


– Las propiedades mecánicas resultantes, como la resistencia y la ductilidad,que suelen ser menores que las que se obtienen en el forjado. Sin embargo,las propiedades de las piezas fabricadas con pulvimetalurgia hasta den-sidad total, con prensado isostático en caliente o por forjado adicionalpueden ser tan buenas como las de las partes fabricadas con otros proce-sos.

11.8. Economía de la pulvimetalurgia

Como la pulvimetalurgia puede producir partes de forma neta o casi ne-ta, eliminando así muchas operaciones secundarias de manufactura y armado,es cada vez más competitiva frente a la fundición, forjado y maquinado. Porotra parte, los altos costos iniciales de los punzones, matrices y equipo paraprocesamiento con pulvimetalurgia requieren que el volumen de producción seasuficientemente elevado como para garantizar estas inversiones. Aunque hayexcepciones, el proceso suele ser económico para cantidades superiores a milpiezas.

11.9. Moldeado de cerámicos

Se dispone de varias técnicas para procesar cerámicos y obtener productosútiles. En general, el procesamiento conlleva los siguientes pasos: partir o molerla materia prima para convertirla en partículas finas; mezclarla con aditivos paraimpartirle ciertas características adecuadas, y moldear, secar y cocer el material.

El primer paso en el procesamiento de cerámicos es la trituración o moliendade las materias primas. La trituración se suele hacer en un molino de bolas, yasea en seco o en mojado. Es más efectiva la molienda en mojado porque mantieneunidas las partículas y evita su diseminación en el aire. Después, las partículasse pueden cribar, filtrar y lavar.

A continuación las partículas se mezclan con aditivos, cuyas funciones sonalgunas de las siguientes: aglomerante de las partículas cerámicas; lubricante,para ayudar al desmoldeo y reducir la fricción interna entre las partículas du-rante el moldeo; humectante, para mejorar el mezclado; plastificante, para hacerque la mezcla sea más plástica y moldeable; diversos agentes para controlar laformación de espuma y el sinterizado; y defloculante, para hacer más uniformela suspensión cerámica en agua.1

11.9.1. Vaciado

El proceso más común de vaciado es el de barbotina, también llamado va-ciado de drenado. Una barbotina es una suspensión de partículas coloidales de

1La defloculación cambia las cargas eléctricas en las partículas de arcilla, de tal modo quese repelen entre sí, en vez de atraerse. Se agrega agua para hacer más manejable y viscosa lamezcla. Los defloculantes normales son Na2CO3 y Na2SiO3, en cantidades menores al unopor ciento.

152 11.9. Moldeado de cerámicos

cerámica en un líquido inmiscible que en general es agua. En este proceso, labarbotina se vierte en un molde poroso de yeso. Debe tener la fluidez suficientey la viscosidad baja para fluir con facilidad hacia el molde.

Después de que el molde ha absorbido algo del agua de las capas exterioresde la suspensión, se invierte y se vierte la suspensión restante para sacarla yfabricar productos huecos, como en la fundición de metales parcialmente derre-tidos. La parte superior se recorta, el molde se abre y se saca la pieza.

Las piezas grandes y complicadas se pueden fabricar colando barbotina. Elcontrol de dimensiones es malo, y la rapidez de producción es baja, pero tambiénson bajos los costes de moldes y equipos. En algunas aplicaciones se fabricanpor separado las partes del producto (por ejemplo, asas de las tazas y jarras) ydespués se pegan con la barbotina como adhesivo. También pueden fabricarselos moldes en varias partes. El hierro y los metales magnéticos se apartan conseparadores magnéticos en línea.

Para las piezas de cerámico macizas, la barbotina se suministra en formacontinua al molde, para reponer el agua absorbida. La suspensión no se vacía enel molde. En esta etapa, la pieza es un sólido suave, o es semirrígida. Mientrasmayor sea la concentración de sólidos en la barbotina, menor es la cantidad deagua que se debe separar. La parte, llamada verde, se hornea a continuación.

Mientras las partes de cerámica son verdes, se pueden maquinar con cuida-do. Por la naturaleza delicada de los compactos verdes, el maquinado se suelehacer manualmente o con herramientas sencillas.

Proceso de cuchilla de doctor Se pueden fabricar láminas delgadas de ce-rámica, de menos de 1,5 mm de espesor, con una técnica de colado llamadaproceso de cuchilla de doctor. La barbotina se cuela sobre una banda de plásticoen movimiento, y su espesor se controla con una cuchilla. Entre otros procesosestán los dos siguientes: laminar la barbotina entre pares de rodillos, y colarlasobre una cinta de papel, que a continuación se quema durante el horneado.

11.9.2. Moldeado plástico

El moldeado plástico, también denominado conformado suave, húmedo ohidroplástico, se puede hacer con varios métodos como extrusión, moldeo porinyección o moldeo y torneado de alfarero. El moldeo plástico tiende a orientarla estructura estratificada de la arcilla en la dirección del flujo de material,por lo que tiende a causar comportamiento anisotrópico del material, tantoen el procesamiento subsiguiente como en las propiedades finales del productocerámico.

En la extrusión, la mezcla de arcilla, con veinte a treinta por ciento deagua, se hace pasar por la abertura de un dado mediante un tornillo. El perfiltransversal del producto extruido es constante y hay limitaciones de espesor depared, para piezas extruidas huecas. Los costos de herramientas son bajos y lastasas de producción altas. Los productos extruidos pueden pasar por operacionesadicionales de moldeo.


11.9.3. Prensado

Prensado en seco Esta operación se parece a la compactación de metales enpolvo, y se aplica para obtener formas relativamente sencillas. Los productoscaracterísticos son la loza, los refractarios y los productos abrasivos. El procesotiene las mismas tasas altas de producción y el estrecho control de toleranciasdimensionales de la pulvimetalurgia. El contenido de humedad de la mezclasuele ser menor del cuatro por ciento, aunque puede llegar a ser del doce. Sesuelen agregar aglomerantes orgánicos e inorgánicos, como ácido esteárico, cera,almidón y alcohol polivinílico, que también funcionan como lubricantes.

La presión de prensado es de 35 a 200 MPa. Las prensas modernas paraprensar en seco están muy automatizadas. Los moldes o matrices, que con fre-cuencia son de carburos o de acero endurecido, deben tener gran resistencia aldesgaste para soportar las partículas abrasivas de cerámico, y por ello puedenser costosos.

Al igual que en la compactación en la pulvimetalurgia, la densidad puedevariar en forma apreciable en los cerámicos prensados en seco, por la fricciónentre las partículas y con las paredes de los moldes. Las variaciones de densidadcausan torcimientos durante el horneado. El torcimiento es especialmente graveen partes que tienen grandes relaciones de longitud a diámetro; la relación má-xima recomendada es de dos a uno. Se pueden usar varios métodos para reduciral mínimo las variaciones de densidad; es importante el diseño de las herramien-tas. Se usan el prensado vibratorio y el moldeado por impacto, en especial conlos elementos de combustibles en reactores nucleares. Con el prensado isostáticotambién se reducen las variaciones de densidad.

Prensado en húmedo En el prensado en húmedo, la parte se moldea bajo altapresión, en una prensa mecánica o hidráulica. Este proceso se usa en generalpara fabricar formas intrincadas. El contenido de humedad varía entre el 10 y el55 por ciento. Las tasas de producción son altas; sin embargo, el tamaño de laparte es limitado, es difícil lograr el control de las dimensiones por la contraccióndurante el secado y los costos de las herramientas pueden ser altos.

Prensado isostático El prensado isostático es muy empleado en la pulvime-talurgia; cuando se aplica a los cerámicos permite obtener una distribuciónuniforme de densidad en toda la pieza.

Torneado (conformado con plantillas) Para fabricar placas de cerámica seusa una combinación de procesos. Las porciones de arcilla se extruyen primeroy, a continuación, se moldean en forma de losa delgada sobre un molde de yeso;por último, se tornean sobre un molde rotatorio. El torneado es un movimientoen el que se moldea la losa de arcilla mediante plantillas formadoras. Después,la parte se seca y se cuece. Este proceso se limita a partes con simetría axial,con exactitud dimensional limitada, pero se puede automatizar la operación.

154 11.9. Moldeado de cerámicos

Moldeo por inyección Este proceso se usa hoy mucho para el moldeo de pre-cisión de los cerámicos en aplicaciones de tecnología punta, como por ejemploen los componentes de motores a reacción. La materia prima se mezcla con unaglomerante, como por ejemplo un polímero termoplástico o con una cera. Porlo general, se elimina el aglomerante por pirólisis; a continuación se sinteriza laparte en el horneado.

Este proceso puede producir secciones delgadas, normalmente menores que10 a 15 mm de espesor en la mayor parte de los cerámicos de uso en ingeniería—aluminio, circonio, nitruro de silicio, carburo de silicio—. Las secciones másgruesas requieren un control cuidadoso de los materiales usados y de los pará-metros de procesamiento, para evitar huecos y grietas internas, en especial losdebidos a la contracción.

Prensado en caliente En esta operación, también denominada sinterizado apresión, se aplican en forma simultánea presión y temperatura. Este proceso pro-duce partes más densas y resistentes, al reducir su densidad. Se suelen emplearatmósferas protectoras, y el grafito es el material acostumbrado en punzones ymatrices.

También se puede usar el prensado isostático en caliente, en especial paramejorar la exactitud de formas de la calidad de cerámicos de tecnología avanza-da, como carburo de silicio y nitruro de silicio. Se ha demostrado que el prensadoisostático en caliente con encapsulado en vidrio es eficaz para este propósito.

11.9.4. Secado y cocción

El siguiente paso en el procesamiento del cerámico es secar y cocer la partepara comunicarle su resistencia y dureza adecuadas. El secado es una etapacrítica, por la tendencia de la pieza a torcerse o agrietarse, debido a variacionesen el contenido de humedad y el espesor. Es importante controlar la humedady la temperatura atmosférica para reducir el torcimiento y el agrietamiento.

Una parte del cerámico que se ha moldeado con alguno de los métodos des-critos más arriba está en estado verde o crudo, igual que en la pulvimetalurgia.Esta parte se puede maquinar con relativa facilidad para llevarla a su formacasi neta. Aunque se debe manejar con cuidado, el maquinado no es muy difícil,por la blandura relativa del material.

El cocido, horneado o sinterizado implica calentar la parte a una tempe-ratura elevada en un ambiente controlado, proceso parecido al sinterizado enpulvimetalurgia. Se presenta cierta contracción durante el cocido. Esta opera-ción produce la dureza y la resistencia de la pieza de cerámico. Esta mejora depropiedades se debe, por una parte, a que se desarrolla una liga resistente entrelas partículas de óxido complejo en la cerámica y, por otra, a que se produce unareducción en la porosidad. En una nueva tecnología, aún no comercializada, seemplea el sinterizado por microondas de los cerámicos en hornos que trabajana más de 2 GHz. Su economía dependerá de la disponibilidad de aislamientospoco costosos para los hornos.


Los cerámicos de nanofase se pueden sinterizar a menores temperaturasque las altas que se emplean en los cerámicos convencionales. Son más fácilesde fabricar, porque se pueden compactar con altas densidades a temperaturaambiente, prensar en caliente a la densidad teórica, y moldear en partes deforma casi neta, sin aglomerantes ni ayudas de sinterizado.

11.9.5. Operaciones de acabado

Como el cocido origina cambios de dimensiones, se pueden efectuar ope-raciones adicionales para dar su forma final a las piezas del cerámico, mejorarsu acabado superficial y tolerancias y eliminar cualquier defecto superficial. Losprocesos de acabado que se usan son: el rectificado con una rueda de diamante;el lapidado y asentado —también denominados lapeado y horneado—; el ma-quinado ultrasónico; el taladrado, usando una broca con un recubrimiento dediamante; el maquinado por descarga eléctrica; el maquinado con rayo láser ; elcorte con chorro abrasivo; el tamborado, para eliminar aristas agudas y marcasde rectificado.

Es importante la elección del proceso, por la naturaleza frágil de la mayorparte de los cerámicos y por los costos adicionales que implica. También se debetener en cuenta el efecto de la operación de acabado sobre las propiedades delproducto; por ejemplo, a causa de la sensibilidad a muescas, mientras más finosea el acabado será mayor la resistencia de la parte. Para mejorar la apariencia yla resistencia, y para impermeabilizarlos, con frecuencia los productos cerámicosse recubren con una pasta adecuada que forma una capa vítrea después delhorneado.

11.10. Moldeado y formado del vidrio

El vidrio se procesa fundiéndolo y moldeándolo, ya sea en moldes, en di-versos aparatos o mediante soplado. Entre las formas que se producen están lasplacas planas, varillas, tubo, fibra de vidrio y productos discretos como bote-llas o bombillas. La resistencia del vidrio se puede mejorar con tratamientostérmicos y químicos.

En general, los productos de vidrio se pueden clasificar como sigue:

– Vidrio plano en placa o en lámina, con espesores desde 0,8 hasta 10 mm,como los vidrios de ventana, puertas de vidrio y vidrios de mesa.

– Varilla y tubo, para manejar sustancias químicas, o letreros de neón yartefactos decorativos.

– Productos discretos, como botellas, vasos, etc.

– Fibras de vidrio para reforzar materiales compuestos y fibras ópticas.

156 11.10. Moldeado y formado del vidrio

Todos los procesos de moldeado y conformado de vidrio comienzan con elvidrio fundido, entre 1000 y 1200◦C para el vidrio normal o de sosa-cal-sílice.

11.10.1. Láminas y placas planas

El vidrio plano se puede fabricar estirándolo o laminándolo en el estadofundido, o con métodos de flotación. Los tres métodos son procesos continuos.El proceso de estirado para fabricar vidrio plano se basa en una máquina en laque el vidrio fundido pasa por un par de rodillos. El vidrio que se solidifica esprensado entre ellos, saliendo en forma de lámina, que pasa a un conjunto derodillos más pequeños.

En el proceso de laminado, el vidrio fundido es comprimido entre rodillos yforma una lámina. Las superficies del vidrio se pueden grabar con un relieve enlas superficies de los rodillos. De este modo, la superficie del vidrio es una réplicade la superficie del rodillo. La lámina de vidrio obtenida por estirado o laminadotiene una superficie áspera. Para fabricar el vidrio plano, ambas superficies sedeben pulir y lustrar después, para que queden paralelas entre sí.

En el método de flotado, el vidrio fundido del horno se alimenta a un bañoen el que el vidrio, bajo atmósfera controlada, flota sobre un baño de estañofundido. A continuación se pasa sobre rodillos a otra cámara (túnel de recocido),donde se solidifica. El vidrio flotado tiene una superficie lisa (pulida a fuego) yno necesita rectificarse ni pulirse.

11.10.2. Tubo y varillas

El vidrio fundido se envuelve en torno a un mandril giratorio hueco, cilíndri-co o cónico, y se estira y saca con un conjunto de rodillos. A través del mandrilse sopla aire para evitar que se aplaste el tubo de vidrio. Estas máquinas puedenser horizontales, verticales o con inclinación hacia abajo. Las varillas de vidrio sehacen en forma parecida, pero no se sopla aire a través del mandril; el productoestirado se transforma en varilla maciza.

11.10.3. Fibras de vidrio

Las fibras continuas de vidrio se hilan o trefilan a través de orificios múltiples—con entre 200 y 400 agujeros— en planos calientes de platino, a velocidades dehasta 500 m/s. Con este método se pueden producir fibras de diámetros tan pe-queños como 2 µm. Para proteger sus superficies, las fibras pasan a continuacióna recubrirse con sustancias químicas. Las fibras cortas, que se usan como ma-terial aislante térmico (lana de vidrio) o para aislamiento acústico, se fabricancon aspersión centrífuga, donde se alimenta vidrio a una cabeza giratoria.


11.10.4. Productos discretos de vidrio

Para fabricar productos de vidrio se emplean varios procesos. El procesode soplado se usa para obtener artículos huecos y de paredes delgadas, comobotellas y frascos. El aire soplado llena una masa de vidrio fundido y la empujacontra las paredes del molde. Éstos suelen estar recubiertos con un agente des-moldeador, como un aceite o una emulsión, para evitar que el vidrio se pegueen ellos.

El acabado superficial de los productos fabricados con el proceso de so-plado es aceptable para la mayor parte de sus aplicaciones. Es difícil controlarel espesor de pared del producto, pero se usa el proceso por su gran tasa deproducción.

En el prensado, una masa de vidrio fundido se coloca en un molde y seprensa hasta llegar a su forma, con un punzón. El molde puede ser de unapieza, o bien puede ser bipartido. Después de prensado, el vidrio que se solidificaadquiere la forma de la cavidad entre el molde y el punzón. Debido al ambientede confinamiento, el producto tiene mayor exactitud dimensional que la que seobtiene con soplado. Sin embargo, el prensado no se puede usar para artículoscon paredes delgadas, ni para productos (como las botellas) en los que no sepueda sacar el punzón.

El proceso de colado centrífugo, que también se conoce como de rotación, separece al que se usa en los metales. La fuerza centrífuga empuja al vidrio fundidocontra la pared del molde, donde se solidifica. Entre los productos característicosde este método están los trc de televisión y los conos de nariz de misil.

Las partes de vidrio en forma de platillo plano, o ligeramente grabadas,se pueden fabricar con el proceso de moldeo por hundimiento. Una lámina devidrio se coloca sobre el molde y se calienta. El vidrio se hunde por su propiopeso y toma la forma del molde. Este proceso se parece al de termoformado delos termoplásticos, pero se trabaja sin presión ni vacío.

11.11. Técnicas para reforzar y tratar el vidrio

El vidrio se puede reforzar con diferentes procesos. Además, los productos devidrio se pueden someter a tratamiento térmico (templado) y a otras operacionesde acabado.

– Templado térmico, también llamado templado físico o templado por conge-lamiento. En este proceso se enfrían con rapidez las superficies del vidriocaliente. Esto causa que las superficies se contraigan y, al principio, quese desarrollen esfuerzos de tensión en ellas. Al comenzar a enfriarse elvidrio del interior, éste se contrae. Las superficies ya solidificadas se inten-tan contraer, por lo que se desarrollan esfuerzos residuales superficiales decompresión, mientras que el interior desarrolla esfuerzos de tensión. Losesfuerzos superficiales de compresión mejoran la resistencia del vidrio, del

158 11.12. Procesamiento de superconductores

mismo modo que lo hacen en otros materiales.

Cuanto mayor sea el coeficiente de dilatación térmica del vidrio, y menorsu conductividad térmica, el valor de los esfuerzos residuales que se de-sarrollan será mayor y, en consecuencia, el vidrio se hará más resistente.El templado térmico consume un tiempo relativamente corto (minutos)y se puede aplicar a la mayor parte de los vidrios. Por la gran cantidadde energía almacenada en los esfuerzos residuales, el vidrio templado sedesintegra en una gran cantidad de pedazos pequeños, cuando se rompe.

– Templado químico. En este proceso, el vidrio se calienta en un baño deKNO3, K2SO4 o NaNO3 fundidos, dependiendo del tipo de vidrio. Seefectúa un intercambio iónico en el que los átomos mayores reemplazan alos menores en la superficie del vidrio. En consecuencia, en la superficie sedesarrollan esfuerzos residuales de compresión. El proceso puede efectuarsea diferentes temperaturas. A temperaturas bajas, la distorsión de la partees mínima y, en consecuencia, se pueden procesar formas complejas.

– Vidrio laminado. Este producto es el resultado de otro método de refuerzo,denominado refuerzo por laminado; consiste en poner dos piezas de vidrioplano con una hoja delgada de un plástico tenaz entre ellas. Cuando serompe el vidrio laminado, sus pedazos se mantienen unidos por la láminade plástico.

Operaciones de acabado Como en los productos metálicos, se pueden desa-rrollar esfuerzos residuales en los productos de vidrio si no se enfrían con unavelocidad suficientemente alta. Para asegurar que el producto no tenga estosesfuerzos, se recuece con un proceso similar al recocido de relevado de esfuerzosen los metales. El vidrio es calentado a determinada temperatura y luego seenfría gradualmente.

Además del recocido, se pueden someter los productos de vidrio a opera-ciones posteriores, como corte, taladrado, rectificado y pulido. Se pueden alisarlas aristas y esquinas agudas con esmerilado o acercando un soplete contra losbordes (pulido a fuego).

11.12. Procesamiento de superconductores

Aunque los superconductores tienen un gran potencial de ahorro de energíaen la generación, almacenamiento y distribución de electricidad, su procesa-miento para obtener formas y tamaños útiles para aplicaciones prácticas poseedificultades importantes. Dos tipos básicos de superconductores son los metales(superconductores baja temperatura, incluyendo combinaciones de niobio, esta-ño y titanio) o los cerámicos (superconductores a alta temperatura, incluyendodiversos óxidos de cobre). En este caso, «alta» temperatura quiere decir tempe-ratura más cercana a la ambiente.

Los materiales superconductores cerámicos se consiguen en forma de polvo.La dificultad fundamental en su manufactura reside en su fragilidad y aniso-


tropía inherentes, que hacen difícil alinear los granos en la dirección correctapara obtener alta eficiencia. Cuanto menor es el tamaño del grano, más difíciles alinearlo.

El proceso básico de manufactura consta de los siguientes pasos: preparacióndel polvo, mezcla del mismo y molienda en un molino de bolas hasta llegar a untamaño de grano de 0,5–10 µm; moldeo, y tratamiento térmico.

El proceso más común en el moldeado es el polvo de óxido en tubo. Enél, el polvo se empaqueta en tubos de plata (por tener la plata la máximaconductividad eléctrica) y se sellan los extremos. A continuación, los tubos seconforman mecánicamente, con procesos de deformación como forjado rotatorio,estirado, extrusión, prensado isostático y laminado, para llegar a las formasfinales que pueden ser alambre, cinta, bobina o a granel.

11.13. Operaciones de prototipado rápido

Una tecnología nueva que acelera mucho el proceso iterativo de desarrollodel proceso es el concepto y la práctica de prototipado rápido. Los procesos deprototipado rápido se pueden clasificar en tres grupos principales: sustractivos,aditivos y virtuales. Como sus nombres indican, los procesos sustractivos impli-can quitar material de una pieza mayor que la parte final; los procesos aditivosforman una parte añadiendo material en incrementos, y los procesos virtualesusan tecnologías avanzadas de visualización basadas en cálculo.

Casi todos los materiales se pueden fabricar mediante una operación deprototipo rápido, pero los polímeros son los que más se usan hoy día.

11.14. Procesos sustractivos

Tradicionalmente, para fabricar un prototipo se han venido empleando pro-cesos de manufactura que requieren diversas herramientas y máquinas; por logeneral, se necesitan entre semanas y meses, dependiendo de la complejidad dela parte. Hasta fecha muy reciente, este método ha requerido operadores muyespecializados, con maquinaria convencional de corte y acabado de metales paraejecutar operaciones, una tras otra, hasta que se termina el prototipo. Hoy endía, los procesos sustractivos usan tecnologías computerizadas para acelerar elproceso.

Para estos procesos son esenciales las siguientes tecnologías:

– Paquetes de dibujo basados en computadora, que pueden producir repre-sentaciones tridimensionales de las piezas.

– Programas de interpretación, que puedan traducir el fichero cad a unformato útil para los programas de manufactura.

160 11.15. Procesos aditivos

– Programas de manufactura capaces de planear las operaciones de maqui-nado que se requieren para producir la forma deseada.

– Maquinaria computerizada con control numérico, con la capacidad nece-saria para fabricar las piezas.

Cuando sólo se necesita un prototipo para verificación de la forma, la piezase conforma con un material suave, que por lo general es un polímero o unacera, para reducir los problemas de maquinado.

11.15. Procesos aditivos

Todas las operaciones aditivas de prototipado rápido forman las piezas encapas. Todos los procesos que se describen en esta sección construyen las piezasuna rebanada tras otra. La diferencia principal entre los diversos procesos estáen el método con el que se producen las rebanadas individuales.

El primer paso consiste en obtener una descripción detallada de la pieza enun fichero cad. A continuación, la computadora forma rebanadas de la piezatridimensional. Cada rebanada se analiza por separado, se compila un conjuntode instrucciones para alimentar la máquina de prototipo rápido con informacióndetallada sobre la manufactura de la pieza.

En este sistema, el prototipo rápido necesita la participación del operador enla preparación de los ficheros adecuados de cómputo y para iniciar el proceso deproducción. Después de esta etapa, las máquinas suelen trabajar sin vigilanciay producir una parte aproximada después de algunas horas. A continuación, laparte pasa por una serie de operaciones manuales de acabado (como lijado ypintado) para terminar el prototipo.

En general, los procesos aditivos son mucho más rápidos que los sustractivos;pueden tardar desde unos minutos hasta unas horas para producir una pieza.

11.15.1. Modelado por deposición de material fundido

En el proceso de modelado por deposición de fundido (fdm, Fuel DepositionModelling), una cabeza extrusora controlada por un robot colgado en un puentese mueve en dos direcciones principales sobre una mesa. La mesa se puede subiry bajar lo necesario. Se extruye un filamento de material termoplástico o cerapor el pequeño oficio de un dado calentado. La capa inicial se deposita sobreuna base de espuma, extruyendo el filamento a velocidad constante mientras lacabeza del extrusor sigue una trayectoria predeterminada. Cuando se termina laprimera capa, la mesa baja para que se puedan sobreponer las capas siguientes.

Las capas que deposita una máquina fdm se determinan por el diámetrodel dado extrusor; en forma característica, varían entre 0,50 y 0,25 mm. Esteespesor representa la mejor tolerancia alcanzable en dirección vertical. En el


plano XY , la precisión dimensional puede ser tan fina como 0,025 mm siempreque el filamento pueda extruirse y formar el detalle determinado.

Un examen cuidadoso de una pieza moldeada por deposición de fundidoindica que existe una superficie escalonada en los planos exteriores oblicuos. Siesta rugosidad de la superficie es indeseable, se puede usar una herramientacaliente para alisarla, o se puede aplicar un recubrimiento, que con frecuenciaes una cera para pulir.

11.15.2. Estereolitografía

Otro proceso muy común para obtener prototipos rápidos, que en realidadapareció antes del moldeado deposición de fundido, es la estereolitografía. Esteproceso se basa en el principio de curar (endurecer) un fotopolímero líquidomoldeado en una forma específica. Un depósito que contiene un mecanismo pa-ra bajar o subir una plataforma se llena con un polímero líquido de acrilatofotocurable. El líquido es una mezcla de monómeros y oligómeros —polímerosintermedios— de acrílico con un fotoiniciador. Un láser, en forma de rayo ultra-violeta, se enfoca en cierta superficie seleccionada del fotopolímero y se muevea continuación en las direcciones XY . El haz cura esta parte del fotopolímeroy con ello produce un cuerpo sólido. A continuación la plataforma baja lo su-ficiente para cubrir el polímero curado con otra capa de polímero líquido, y lasecuencia se repite.

El polímero líquido del entorno sigue estando fluido, porque no se ha expues-to al rayo ultravioleta; la pieza se produce de abajo hacia arriba, en «rebanadas»individuales. El término estereolitografía con el que se describe este proceso sedebe a que los movimientos son tridimensionales y que el proceso se parece a lalitografía, en la que la imagen que se va a imprimir en una superficie plana esreceptora de tinta, y las áreas en blanco son repelentes de tinta.

Después de terminar, la pieza se saca de la plataforma, se seca y se limpiaultrasónicamente y con un baño de alcohol; a continuación se quita la estructurade soporte, y la pieza se somete a un ciclo de curado final.

La tolerancia mínima que se puede lograr con la estereolitografía dependede la nitidez del foco del láser; en forma característica, es de alrededor de 0,0125mm. Las superficies oblicuas también pueden tener una calidad muy alta.

11.15.3. Sinterizado selectivo con láser

El sinterizado selectivo con láser (sls) es un proceso basado en sinterizarpolvos no metálicos (o metálicos, con menor frecuencia) en forma selectiva paraformar un objeto. El fondo de la cámara de procesamiento posee dos cilindros:

– Un cilindro de alimentación de polvo, que sube en forma incremental pa-ra suministrar polvo al cilindro de formación de la pieza, mediante unmecanismo de rodillo.

162 11.15. Procesos aditivos

– Un cilindro de formación de la pieza, que se baja en forma incrementalhasta donde se forma la parte sinterizada.

Primero se deposita una capa delgada de polvo en el cilindro de formaciónde parte. A continuación se enfoca un rayo láser, guiado con una computadorade control de proceso con instrucciones para la parte deseada generadas por elprograma cad en 3D, y traza y sinteriza determinada área transversal de masasólida. El polvo en las demás zonas queda suelto, aunque sostiene a la porciónsinterizada. A continuación se deposita otra capa de polvo; este ciclo se repiteuna y otra vez hasta que se ha producido la pieza tridimensional. Entonces sesacuden las partículas sueltas y se recupera la pieza, que no requiere más curado,a menos que sea un cerámico.

En este proceso se pueden usar también varios materiales, incluyendo polí-meros, cera, metales y cerámicos con aglutinantes adecuados. Lo más frecuentees usar polímeros, porque requieren láseres menores, menos costosos y menoscomplicados en el sinterizado.

11.15.4. Curado en base sólida

El proceso de curado en base sólida, que también se denomina curado sólidoen el suelo, es único, porque todas las rebanadas de una parte se fabrican deuna vez; como resultado, se logra una gran producción, en comparación conotros procesos de prototipo rápido. Sin embargo, este proceso está entre los máscostosos, por lo que su adopción ha sido menos frecuente que otros métodos deobtención rápida de prototipos. El método consta de los siguientes pasos :

1. Una vez creada una rebanada con el programa de cómputo, se imprimesu mascarilla en una lámina de vidrio mediante un proceso de impresiónelectrostática.

2. Mientras se prepara la mascarilla, se deposita una capa delgada de polí-mero fotorreactivo en la superficie de trabajo y se reparte uniformemente.

3. La fotomascarilla se coloca sobre la superficie de trabajo y se enciendeun reflector ultravioleta que la ilumina. Allí donde la mascarilla es trans-parente, la luz llega a curar al polímero y endurece la rebanada que sepretende.

4. La resina no afectada, todavía en estado líquido, se aspira y se quita de lasuperficie.

5. Se reparte cera líquida soluble en agua por el área de trabajo, que llenalas cavidades que antes ocupaba el polímero líquido no expuesto a la luz.Como la pieza está sobre una placa de solidificación y el espacio de trabajopermanece frío, la cera se endurece con rapidez.

6. A continuación se maquina la capa para obtener el espesor correcto y unabuena planitud.


7. El proceso se repite capa tras capa hasta completar la parte.

El curado en base sólida tiene la ventaja de una gran rapidez de producción,debido a que se producen rebanadas completas de una vez, y al mismo tiempoporque se usan dos pantallas de vidrio en forma concurrente. Esto es, mientras seusa una mascarilla para exponer el polímero, la siguiente ya se está preparandoy queda lista tan pronto como se termina la operación de maquinado.

El soporte de cera es hidrosoluble; se puede quitar de inmediato o puedequedar en su lugar, como protección durante el transporte de la pieza.

11.15.5. Manufactura con partículas balísticas

En el proceso de manufactura con partículas balísticas, se expulsa un chorrode material, como plástico, cerámico, metal o cera, por un orificio pequeño haciauna superficie (el blanco) con un mecanismo parecido al del chorro de tinta. Estemecanismo usa una bomba piezoeléctrica que trabaja cuando se aplica una cargaeléctrica y genera una onda de choque que impulsa gotitas de 50 µm con unafrecuencia de 10000 por segundo. La operación se repite en forma parecida aotros procesos y se construye la pieza con capas de material depositadas unasobre otra. La cabeza del chorro de tinta es guiada por un robot con tres ejes.

La impresión tridimensional (3DP, 3-Dimensional Printing) se relacionacon la fabricación con partículas balísticas, excepto que, en lugar de depositarel material, la cabeza de impresión deposita un material aglutinante inorgánico(como sílice coloidal). Los materiales en polvo que se emplean con frecuenciason óxido de aluminio, carburo de silicio, sílice y circonio.

Una pieza que se produce con frecuencia mediante impresión tridimensionales un cascarón cerámico de colada, en el que se funde un polvo de óxido dealuminio y sílice con un aglutinante de sílice.

11.15.6. Fabricación de objetos laminados

La laminación consiste en tender capas que se pegan entre sí. En la fabri-cación de objetos laminados, se emplean capas de papel o láminas de plásticocon un pegamento térmico en una cara, para producir las piezas. Las formasdeseadas se queman en la hoja con un láser, y las partes se forman capa sobrecapa.

Una vez terminada la pieza hay que quitar manualmente el exceso de ma-terial. Este proceso se simplifica programando el láser para que queme perfora-ciones en pautas cruzadas: las líneas de malla que resultan hacen aparecer a lapieza como si se hubiera construido en papel milimetrado. En la fabricación deobjetos laminados se usan hojas de hasta 0,05 mm de espesor, aunque es máshabitual utilizarlas de 0,02 pulgadas, por lo que se pueden obtener toleranciassimilares a las de la estereolitografía y del modelado con deposición de fundido.El papel comprimido tiene el aspecto y la resistencia de una madera suave, y

164 11.16. Construcción virtual del prototipo

las piezas de papel son fáciles de acabar o de recubrir.

Estos sistemas, comparados con otras operaciones de prototipado rápido,emplean medios muy poco costosos, y los sistemas menos complicados repre-sentan las máquinas menos costosas. Se llaman máquinas de escritorio paraprototipado rápido.

11.16. Construcción virtual del prototipo

Las formas más sencillas de prototipado virtual usan programas complicadosy rutinas gráficas tridimensionales para permitir a los espectadores cambiar elpunto de vista de las partes en una pantalla de computadora. Las versionesmás complicadas usan cascos y guantes de realidad virtual con los sensoresadecuados, que permiten al usuario observar un prototipo de la pieza generadapor computadora en un ambiente totalmente virtual.

Quizás el ejemplo más conocido de producto que se ha fabricado sin prototi-po físico alguno es el del Boeing 777; en él se evaluaron los ajustes e interferenciasmecánicas en un sistema cad, y se corrigieron las dificultades antes de fabricarel primer modelo de producción.

11.17. Aplicaciones de la tecnología de prototipa-do rápido a la fabricación de partes reales

Si bien es extremadamente útil como herramienta de demostración y visua-lización, los procesos de prototipo rápido también se han usado como paso demanufactura en la producción. Se usan dos metodologías básicas: produccióndirecta de las partes deseadas con técnica de prototipado rápido; y producciónde herramientas con prototipo rápido, para usarlas luego en las operaciones demanufactura.

11.17.1. Producción de piezas individuales

Las piezas de polímeros que se pueden obtener con las diversas operacionesde prototipo rápido tienen utilidad no sólo para evaluar el diseño y buscar-le fallos; a veces hasta se pueden usar estos procesos para fabricar productosvendibles, en forma directa. En cualquier caso, con frecuencia es preferible —por motivos funcionales— usar piezas metálicas, mientras que las operacionesde prototipo real más desarrolladas y más disponibles implican trabajar sobrepiezas de plástico.

La solución es usar los componentes fabricados como prototipos rápidoscomo auxiliares en los procesos posteriores. Es preciso notar que este métodorequiere un polímero que se funda y se queme desapareciendo por completo delmolde de cerámico.


Los procesos de prototipado rápido se usan hoy para producir componentes(manufactura directa), aunque no en forma económica cuando las cantidadesson grandes. La ventaja del prototipado rápido es que hace económicos procesostradicionalmente costosos, cuando las series de producción son muy pequeñas.

11.17.2. Herramientas rápidas

La dificultad principal que se debe superar en la aplicación de operacionesde prototipado rápido, más allá de la obtención del prototipo, es el tiempo tanlargo que se requiere.

Para producción rápida de herramientas mediante operaciones de prototiporápido existen varios métodos. Por ejemplo, puede emplearse una operación defundición en molde de arena, en la que se fabrican las placas del modelo mediantemétodos de prototipo rápido y el resto del proceso se hace de forma idénticaa la fundición convencional en arena. La ventaja de este método es el tiempotan corto que se necesita para producir la placa modelo, en comparación con sufabricación convencional. La principal desventaja es la menor vida del patrón, encomparación con la que se obtiene con metales de alta resistencia maquinados.

Tema 12

Procesos de soldadura y

unión de partes

12.1. Procesos de soldadura por fusión

Los procesos de soldadura que se describen en este capítulo implican lafusión parcial de la unión entre dos miembros. En este contexto, se define la sol-dadura por fusión como la fusión y coalescencia mutuas de materiales mediantecalor. La energía térmica requerida en estas operaciones de soldadura se suelesuministrar por medios químicos o eléctricos. Se pueden usar o no metales deaportación, o de relleno, que son metales que se agregan a la zona de soldaduradurante la operación. Las soldaduras por fusión realizadas sin agregar metalesde aportación se denominan soldaduras autógenas.

12.2. Soldadura con oxígeno y combustible ga-seosos

La soldadura con oxígeno y combustible gaseosos, o soldadura de oxicombus-tible, es un término general para describir cualquier proceso de soldadura queuse un gas combustible con oxígeno para producir una llama. Esta llama es lafuente de calor para fundir los metales en la unión. El proceso más común desoldadura con gas emplea el combustible acetileno; se conoce como soldaduracon oxiacetileno y se usa mucho para fabricación de lámina metálica estructu-ral, carrocerías de automóviles y diversos trabajos de reparación. Se desarrollóa principios de la década de 1900, y usa el calor generado por la combustión delacetileno gaseoso (C2H2) mezclado con oxígeno.

El calor se genera de acuerdo con un par de reacciones químicas. El procesode combustión primaria, que se efectúa en el cono interior de la llama, es elsiguiente:

C2H2 + O2 −→ 2CO + H2 ∆H < 0.

168 12.2. Soldadura con oxígeno y combustible gaseosos

Esta reacción disocia el acetileno y forma monóxido de carbono e hidrógeno;produce aproximadamente la tercera parte del calor generado en la llama. Elproceso de combustión secundaria es

2CO + H2 + 1,5O2 −→ 2CO2 + H2O ∆H < 0.

Esta reacción es el quemado posterior del hidrógeno y del monóxido de carbono,y produce aproximadamente las dos terceras partes del calor total. Las tempe-raturas que se desarrollan en la llama, como resultado de esas reacciones, puedellegar a los 3300◦C.

12.2.1. Tipos de llamas

Un factor importante en la soldadura con oxiacetileno es la proporción delacetileno y el oxígeno en la mezcla de gas. A una relación de uno a uno, i.e.,cuando no hay exceso de oxígeno, se considera que se produce una llama neutra.

Con mayor suministro de oxígeno, ésta se transforma en una llama oxidante.Esta llama es perjudicial, en especial para los aceros, porque los oxida. Sólo espreferible la llama oxidante en la soldadura de cobre y sus aleaciones, porqueen estos casos se forma una capa protectora delgada de escoria sobre el metalfundido. Si la relación de oxígeno es deficiente, la llama es reductora o carburante.La temperatura de una llama reductora, que contiene exceso de acetileno, esmenor, por lo que es adecuada para las aplicaciones que requieran poco calor,como por ejemplo la soldadura fuerte y blanda, y el endurecimiento a la llama.

En la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos se pueden usar otrosgases, como hidrógeno y metilacetileno o propadieno. Las temperaturas obteni-das con estos gases con bajas, y en consecuencia se usan para soldar: metalescon bajos puntos de fusión, como plomo, y piezas delgadas y pequeñas.

12.2.2. Metales de aportación

Los metales de aportación se usan para suministrar material adicional a lazona de soldadura durante la operación. Se consiguen en varillas o alambres demetales compatibles con los que se van a soldar. Estas varillas de aportaciónconsumibles pueden ser desnudas o estar cubiertas con un fundente. El objeto delfundente es retardar la oxidación de las superficies de las piezas que se sueldan,generando una protección gaseosa en torno a la zona de soldadura. Además, elfundente ayuda a disolver y eliminar óxidos y otras sustancias en la pieza, porlo que contribuye a la formación de una unión más resistente. La escoria que seforma protege al régulo o gota de metal fundido contra la oxidación, al enfriarse.

12.2.3. Práctica y equipo de soldadura

Se puede usar la soldadura con oxígeno y combustible gaseoso en la mayorparte de los materiales ferrosos y no ferrosos, para casi cualquier espesor o

12. Procesos de soldadura y unión de partes 169

pieza, pero la producción relativamente baja de calor limita en la práctica esteproceso a espesores menores de 6 mm. Con este método se puede producir unagran diversidad de uniones.

Las uniones pequeñas pueden consistir en un solo cordón de soldadura; lassoldaduras profundas en V se terminan en varios pasos. Es importante limpiarla superficie de cada cordón antes de depositar una segunda capa, para tenerresistencia en la unión y evitar defectos; para este fin se pueden usar cepillos dealambre, bien manuales o bien eléctricos.

El equipo para soldadura con oxígeno y combustible gaseoso consta bási-camente de un soplete (disponible en varios tamaños y formas) conectado conmangueras a cilindros de gas a alta presión, que tienen manómetros y regula-dor. Es esencial usar equipo de seguridad, como gafas con lentes oscuros, caretas,guantes y ropa de protección.

Además, es un factor importante en la seguridad la conexión correcta de lasmangueras a los cilindros. Los cilindros de oxígeno y de acetileno poseen roscasdistintas, por lo que las mangueras no se pueden conectar a los cilindros que noles correspondan.

Posibilidades del proceso Aunque se puede mecanizar, esta operación de sol-dadura es esencialmente manual, y por consiguiente lenta; se usa mucho paratrabajos de fabricación y reparación. Posee las ventajas de ser portátil, ver-sátil y económica para hacer trabajos sencillos y en pequeñas cantidades. Sonesenciales la capacitación y la destreza adecuadas del operador.

12.2.4. Soldadura con gas a presión

Este método de soldar dos componentes comienza calentando la interfasemediante un soplete, comúnmente de oxiacetileno. Al comenzar a fundirse lainterfase se retira el soplete y se aplica una fuerza para prensar juntas entre sílas dos partes. La fuerza se mantiene hasta que se solidifica la interfase. Se formauna rebaba debido al rechazado de los extremos unidos de los dos componentes.

12.3. Procesos de soldadura con arco: electrodoconsumible

En la soldadura con arco, desarrollada a mediados del siglo xix, el calorque se requiere se obtiene de la energía eléctrica. El proceso puede implicar unelectrodo consumible o uno no consumible (varilla o alambre). Se produce unarco entre la punta del electrodo y la de la pieza que se va a soldar, medianteuna fuente de alimentación de ca o de cd. Este arco produce temperaturasde unos 30000◦C, mucho mayores que las que se desarrollan en la soldaduracon oxígeno y combustible gaseoso. En la categoría de «soldadura con arco» seincluyen varios procesos, que se describen a continuación.

170 12.3. Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible

12.3.1. Soldadura con arco y metal protegido

La soldadura con arco y metal protegido (smaw) es uno de los procesos deunión más antiguos, sencillos y versátiles. Hoy en día, un cincuenta por cientode toda la soldadura en la industria y el mantenimiento se hace mediante esteproceso. El arco eléctrico se genera tocando la pieza con la punta de un electrodorecubierto y retirándola con rapidez a la distancia suficiente para mantener elarco. Los electrodos tienen la forma de una varilla delgada y larga, por lo queeste proceso se denomina también soldadura con varilla.

El calor generado funde una parte de la punta de su electrodo, su recubri-miento, y el metal base en la zona inmediata del arco. Se forma una soldaduracuando se solidifican el metal fundido, una mezcla del metal de base (el de lapieza), el metal del electrodo y las sustancias del recubrimiento del electrodo,solidifican en el área de la soldadura. El recubrimiento del electrodo desoxida lazona de la soldadura y produce gas de pantalla que la protege del oxígeno delambiente.

Una parte desnuda en el extremo del electrodo se sujeta a una terminal de lafuente de alimentación, mientras que la otra terminal se conecta con la pieza quese suelda. La corriente suele estar entre 50 y 300 A; en general, los requerimientosde potencia son menores de 10 kW. La corriente puede ser directa o alterna. Parasoldar lámina se prefiere cd porque el arco que produce es estable.

Puede ser importante la polaridad de la cd, i.e., la dirección del flujo dela corriente; su selección depende de factores como el tipo del electrodo, losmetales que se van a soldar y la profundidad de la zona calentada. En la polaridaddirecta la pieza es positiva y el electrodo es negativo; se prefiere para los metaleslaminados porque produce poca penetración, y en uniones con huecos o espaciosmuy amplios. En la polaridad inversa, el electrodo es positivo y es posible unamayor profundidad de penetración. En la soldadura con corriente alterna el arcopulsa rápidamente; este método es adecuado para soldar partes gruesas y parausar electrodos de gran diámetro en corrientes máximas.

Posibilidades del proceso El proceso de arco y metal protegidos tiene la ven-taja de ser relativamente sencillo y versátil, y de requerir mayor variedad deelectrodos. El equipo consiste en una fuente de alimentación, cables de corrientey un portaelectrodo; el costo total del equipo suele ser menor de 1500 dólares.Es esencial usar equipo de seguridad, que es parecido al que se emplea en lasoldadura con oxicombustible.

El proceso de arco y metal protegidos se usa con frecuencia en la cons-trucción en general, en astilleros, oleoductos y en trabajos de mantenimiento,porque el equipo es portátil y se puede reparar con facilidad. Es muy útil enzonas remotas, donde puede llevar un generador con motor de combustión comofuente de electricidad. El proceso se adapta bien para espesores de pieza de 3 a19 mm, aunque se puede ampliar con facilidad este intervalo si los operadoresson hábiles y usan técnicas de múltiples pasos. En consecuencia, los costos demano de obra y material son altos.


12.3.2. Soldadura con arco sumergido

En la soldadura con arco sumergido (saw), el arco se protege con un fun-dente granular formado por cal, sílice, óxido de manganeso, fluoruro de calcioy otros compuestos. Este fundente se alimenta por gravedad a la zona de solda-dura, a través de una boquilla. La capa gruesa de fundente cubre totalmente elmetal fundido; evita las salpicaduras y las chispas, suprime la intensa radiaciónultravioleta y los humos característicos del proceso de arco y metal protegidos.Además, el fundente actúa como aislante térmico, facilitando la penetraciónprofunda del calor en la pieza.

El electrodo consumible es un rollo de alambre redondo desnudo de 1,5 a10 mm de diámetro; se alimenta en forma automática por un tubo (pistola desoldar). Las corrientes eléctricas suelen ser de 300 a 2000 A. Las fuentes dealimentación se conectan con cables monofásicos o trifásicos con tensiones dehasta 440 V. El soldador debe usar guantes, pero en general no son necesariaslas caretas; sólo gafas de seguridad con vidrios tintados.

Posibilidades del proceso Como el fundente llega por gravedad, el proceso dearco sumergido queda limitado principalmente a soldaduras en posición planau horizontal, con una pieza de respaldo. Se pueden hacer soldaduras circularesen tubos, siempre que se hagan girar durante el proceso. Además, se puederecuperar, tratar y reutilizar el fundente.

Este proceso se desarrolló en la década de 1940, y se puede automatizarpara lograr mayor economía. Se emplea para soldar diversos aceros al carbono yaleados, y aceros inoxidables, en láminas o placas, con frecuencia con velocidadesde hasta 5 m/min. La calidad de la soldadura es muy alta, con buena tenacidad,ductilidad y uniformidad.

El proceso de arco sumergido permite una productividad muy alta en lasoldadura, porque deposita de cuatro a diez veces la cantidad de metal de apor-tación en comparación con el proceso de arco y metal protegidos. Entre lasaplicaciones características están la soldadura de placas gruesas para barcos ypara recipientes a presión. El costo total de un sistema de estos oscila entre 2000y 10000 dólares, pero puede ser bastante mayor en sistemas mayores con varioselectrodos.

12.3.3. Soldadura de arco, metal y gas

En la soldadura de arco, metal y gas (gmaw), antes denominada soldadurade metal en gas inerte (mig), se protege el área de soldadura con una atmósferainerte de argón, helio, dióxido de carbono o varias mezclas de gases. El alambredesnudo consumible se alimenta al arco de forma automática a través de unaboquilla.

Además de usar gases inertes de protección, en el metal del electrodo suelehaber desoxidantes para evitar la oxidación del régulo de metal fundido. En la

172 12.3. Procesos de soldadura con arco: electrodo consumible

unión se pueden depositar varias capas de soldadura; el metal se puede transferircon tres métodos en este proceso: atomización (aspersión), globular y cortocir-cuito.

En la transferencia por aspersión o atomización, pequeñas gota de metalfundido del electrodo pasan al área de soldadura, con una frecuencia de varioscientos por segundo. La transferencia no tiene salpicaduras y es muy estable. Seusan altas corrientes, tensiones directas, y electrodos de gran diámetro. El gasde protección es argón o una mezcla rica en argón. Se puede reducir la corrientepromedio necesaria para este proceso usando un arco pulsado, que sobreponeimpulsos de gran amplitud a una corriente baja y continua, y se puede usar elproceso en todas las posiciones de soldar.

En la transferencia globular, se usan gases ricos en dióxido de carbono, y losglóbulos se impulsan mediante las fuerzas del arco eléctrico; se producen bastan-tes salpicaduras. Se usan altas corrientes que posibilitan mayor penetración dela soldadura, y mayor velocidad que las que se alcanzan con la transferencia poratomización. Las piezas más pesadas se suelen unir por medio de este método.

En el cortocircuito, el metal se transfiere en forma de gotitas individuales,más de 50 por segundo, cuando la punta del electrodo toca el metal fundido desoldadura y hace cortocircuito. Se usan corrientes y tensiones bajas, los gasesson ricos en dióxido de carbono y los electrodos son de alambre de diámetropequeño. La potencia requerida es de unos 2 kW.

Las temperaturas generadas son relativamente bajas; en consecuencia, estemétodo sólo es adecuado para láminas y secciones delgadas (menores de 6 mm),porque de otro modo se puede presentar fusión incompleta. Este proceso es fácilde usar y está muy difundido para metales ferrosos en secciones delgadas. Sinembargo, los sistemas de arco pulsado están ganando más adeptos para soldarmetales delgados.

Posibilidades del proceso El proceso de soldadura de arco, metal y gas, esadecuado para soldar diversos metales ferrosos y no ferrosos, y se usa en formaextensa en la industria de fabricación metálica. Por la naturaleza relativamentesencilla del proceso, es fácil capacitar a los operadores. El proceso es versátil,rápido y económico, y la productividad es el doble que la del arco y metalprotegidos. El proceso de arco, metal y gas se puede automatizar con facilidad yse presta con facilidad a ser incorporado a los sistemas robótico y de manufacturaflexible. El costo del equipo suele oscilar entre los 1000 y los 3000 dólares.

12.3.4. Soldadura con arco y núcleo de fundente

El proceso de soldadura con arco y núcleo de fundente (fcaw) se parece alde la soldadura con arco y metal en gas, con la excepción de que el electrodotiene forma tubular y está relleno con fundente. Los electrodos con núcleo pro-ducen un arco más estable, mejoran el contorno del cordón y producen mejorespropiedades mecánicas del metal de soldadura.


En estos electrodos el fundente es mucho más flexible que el frágil recubri-miento que se usa en los electrodos de arco y metal en gas, por lo que estoselectrodos se pueden proporcionar en tramos largos y enrollados. Los electrodostienen en general diámetros pequeños, de 0,5 a 4 mm, y la potencia requeridaes de unos 20 kW.

También se consiguen electrodos con núcleo y protección propia, que norequieren protección externa con gas porque contienen fundentes que desprendengases y protegen la zona de soldadura frente a la atmósfera. Los avances en lamanufactura de electrodos para soldadura con núcleo y en la química de losfundentes han permitido que este proceso sea el de crecimiento más rápido enel área de la soldadura.

Los electrodos de diámetro pequeño han hecho que la soldadura de mate-riales más delgados con este proceso no sólo sea posible, sino con frecuenciapreferible. También facilitan relativamente soldar partes en distintas posicio-nes, y con fundente de composición química adecuada se pueden soldar muchosmetales.

Posibilidades del proceso El proceso de arco y núcleo de fundente combina laversatilidad de la soldadura con arco y metal protegido con la característica dealimentación continua y automática del electrodo del proceso de arco, metal ygas. Es económico y versátil, por lo que se usa para soldar una diversidad deuniones, principalmente en los aceros, aceros inoxidables y aleaciones de níquel.La mayor rapidez de deposición de metal en el proceso con arco y núcleo defundente, en comparación con el de arco, metal y gas, ha permitido su aplicaciónpara unir secciones de todos los espesores. El desarrollo reciente de los electrodostubulares con diámetros muy pequeños ha ampliado la aplicación de este procesoa piezas con sección de menor diámetro.

Una de las ventajas principales del proceso de arco con núcleo protegido esla facilidad con la que se pueden desarrollar formulaciones específicas del metalde aporte. Si se agregan elementos de aleación al núcleo de fundente, se puedeobtener virtualmente cualquier composición de aleación. Este proceso es fácil deautomatizar y se adapta con facilidad a sistemas de manufactura flexible y derobots. El costo del equipo oscila en general entre 1000 y 3000 dólares.

12.3.5. Soldadura con electrogas

La soldadura con electrogas (egw) se usa principalmente para soldar losbordes de secciones en sentido vertical y en un paso, con las piezas colocadasborde con borde (unión a tope). Se considera un proceso de soldadura con má-quina, porque requiere equipo especial. El metal de aportación se deposita enuna cavidad de la unión entre las dos piezas por unir. El espacio se encierraentre dos labios de cobre enfriados por agua (zapatas) para evitar que escurrala escoria fundida. Con accionamientos mecánicos se van subiendo las zapatas.También es posible hacer soldaduras circulares, por ejemplo en tubos, cuandose hace girar la pieza.

174 12.4. Electrodos

Uno o varios electrodos se alimentan por un conducto y se mantiene un arcocontinuo con electrodos de núcleo de fundente, hasta de 750 A, o de electrodossólidos a 400 A. La potencia requerida es de unos 20 kW. La protección se hacecon un gas inerte, como dióxido de carbono, argón o helio, que depende delmaterial que se suelda. El gas puede suministrarse con una fuente externa o sepuede producir en un electrodo con núcleo de fundente, o con ambos métodos.

Posibilidades del proceso El equipo de soldadura con electrogas es fiable, yes relativamente sencillo capacitar a los operarios. Los espesores de soldaduravan de 12 a 75 mm en aceros, titanio y aleaciones de aluminio. Las aplicacionescaracterísticas son la construcción de puentes, recipientes a presión, tubos depared gruesa y gran diámetro, tanques de almacenamiento y barcos. El costonormal de las máquinas oscila entre 15000 y 25000 dólares, aunque las máquinasportátiles de menos potencia llegan a costar sólo 5000 dólares.

12.3.6. Soldadura por electroescoria

Este proceso se desarrolló en la década de 1950; la soldadura eléctrica porescoria (esw) y sus aplicaciones se parecen a la soldadura con electrogas. Laprincipal diferencia es que el arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondode la pieza por soldar. Se agrega fundente, el cual se funde por el calor del arco.Después de que la escoria fundida llega a la punta del electrodo, se extingueel arco. En adelante, el calor se produce en forma continua por la resistenciaeléctrica de la escoria fundida.

Como se extingue el arco, la soldadura por electroescoria no es estrictamenteun proceso de soldadura con arco. Se pueden usar uno o varios electrodos, ytambién electrodos con núcleo de fundente. La guía puede ser no consumible(método convencional) o consumible.

Posibilidades del proceso La soldadura por electroescoria es capaz de soldarplacas de espesores entre 50 y más de 900 mm. La soldadura se hace en un paso.La corriente requerida es de unos 600 A a 40 o 50 V, aunque con placas gruesasse usa más. La velocidad de avance del electrodo va de 12 a 36 mm/min.

12.4. Electrodos

Los electrodos para los procesos de soldadura con arco y electrodos consu-mibles que hemos descrito se clasifican según la resistencia del metal depositado,la corriente (ca o ±cd), y el tipo de recubrimiento. Los electrodos se identifi-can con números y letras o con clave de colores, en particular si son demasiadopequeños para grabarles su identificación. Las dimensiones normales de los elec-trodos recubiertos son de 150 a 460 mm de longitud y de 1,5 a 8 mm de diámetro.Al disminuir el grosor de las piezas por soldar, también disminuyen la corrientenecesaria y el diámetro del electrodo.


Recubrimientos de electrodo Los electrodos están recubiertos con materialesarcillosos que incluyen aglutinante de silicato y materiales en polvo como óxidos,carbonatos, fluoruros, aleaciones metálicas y celulosa (celulosa de algodón ypolvo de madera). El recubrimiento, que es frágil y participa en interaccionescomplejas durante la soldadura, posee las siguientes funciones básicas:

– Estabilizar el arco.

– Generar gases que formen una pantalla contra la atmósfera circundante;los gases producidos son dióxido de carbono y vapor de agua, así comomonóxido de carbono e hidrógeno en cantidades pequeñas.

– Opera como fundente para, por una parte, proteger la soldadura contra laformación de óxidos, nitruros y demás inclusiones y, por otra proteger elestanque de metal fundido con la escoria que resulte.

– Agregar elementos de aleación en la zona de soldadura, para mejorar laspropiedades de la unión; entre estos elementos están los desoxidantes paraevitar que la soldadura se vuelva frágil.

El recubrimiento del electrodo o la escoria deben eliminarse después de cadapasada para asegurar que la soldadura sea buena. Para esto se puede usar uncepillo de alambre, manual o motorizado. También se consiguen los electrodosy el alambre desnudos, hechos con aceros inoxidables y aleaciones de aluminio.Se usan como metales de aportación en diversas operaciones de soldadura.

12.5. Procesos de soldadura con arco: electrodono consumible

A diferencia de los procesos de soldadura con arco que usan electrodosconsumibles, en la soldadura con arco y electrodo no consumible se usa, habi-tualmente, un electrodo de tungsteno. Siendo uno de los polos del arco, generael calor necesario en la soldadura. De una fuente externa se suministra el gas deprotección.

12.5.1. Soldadura con arco de tungsteno y gas

En la soldadura con arco de tungsteno y gas (gtaw), que antes se llamabatig (tungsten inert gas), el metal de aportación es un alambre de aporte. Comono se consume el electrodo de tungsteno en esta operación, se mantiene unaabertura de arco constante y estable en un nivel constante de corriente. Losmetales de aporte son parecidos a los que se van a soldar y no se usa fundente.El gas de protección suele ser argón o helio, o una mezcla de los dos.

Según los metales que se van a soldar, la fuente de alimentación puede serde cd con 200 A o de ca con 500 A. En general se prefiere la corriente alternapara el aluminio y el magnesio, porque tiene una acción limpiadora que elimina

176 12.5. Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible

óxidos y mejora la calidad de la soldadura. Se pueden usar torio o circonioen los electrodos de tungsteno para mejorar sus características de emisión deelectrones. La potencia necesaria será de entre 8 y 20 kW.

La contaminación del electrodo de tungsteno con el metal fundido puedeser un problema importante, en especial en aplicaciones críticas, donde puedecausar discontinuidades en el cordón. Por ello, debe evitarse el contacto delelectrodo con el charco de metal fundido.

Posibilidades del proceso El proceso de arco de tungsteno y gas se usa parauna gran variedad de metales y aplicaciones, en especial con aluminio, magnesio,titanio y los metales refractarios. Es especialmente adecuado para los metalesdelgados. El costo del gas inerte hace que este proceso sea más costoso que elde arco y metal protegido, pero produce soldaduras y acabados superficiales demuy alta calidad. Se usa en varias aplicaciones de muy alta calidad. Se usa envarias aplicaciones críticas, con amplios rangos de espesores y formas de pieza.El equipo es portátil y su costo normal es de 1000 a 5000 dólares.

12.5.2. Soldadura con hidrógeno atómico

En la soldadura con hidrógeno atómico (ahw) se usa un arco en una at-mósfera protectora de hidrógeno. El arco se produce entre dos electrodos detungsteno o de carbón. Por consiguiente, la pieza no es parte del circuito eléc-trico, como en la soldadura con arco de tungsteno y gas. El hidrógeno gaseosotambién enfría los electrodos.

12.5.3. Soldadura con arco de plasma

En la soldadura con arco de plasma (paw), desarrollada en la década de1960, se produce un arco concentrado de plasma que se dirige hacia el área de lasoldadura. El arco es estable y sus temperaturas llegan a 33000◦C. Un plasmaes un gas caliente ionizado, formado por cantidades casi iguales de electrones eiones positivos. El plasma se inicia entre el electrodo de tungsteno y el orificio,mediante un arco piloto de baja corriente.

A diferencia de otros procesos, el arco de plasma es concentrado, porque sehace pasar por un orificio relativamente pequeño. Las corrientes de operaciónsuelen ser menores que 100 A, pero pueden ser mayores en aplicaciones especia-les. Cuando se usa un metal de aportación se alimenta al arco, como se hace enla soldadura de arco de tungsteno en gas. La protección del arco y la zona desoldadura se obtiene mediante un anillo protector externo, y usando gases comoargón, helio o mezclas de ellos.

Hay dos métodos para soldar con arco de plasma. En el método de arcotransferido, la pieza que se suelda es parte de un circuito eléctrico. El arcose transfiere del electrodo a la pieza. En el método no transferido, el arco seproduce entre el electrodo y la boquilla, y el calor es arrastrado a la pieza por


el gas de plasma. Este mecanismo de transferencia térmica se parece al de lallama de oxicombustible.

Posibilidades del proceso En comparación con otros procesos de soldaduracon arco, el de arco de plasma tiene mayor concentración de energía (por lo quepermite hacer soldaduras más profundas y más angostas), mejor estabilidad delarco, menos distorsión térmica y mayores velocidades de soldadura, de 120 a1000 mm/min. Se pueden soldar diversos metales, y en general con espesoresmenores de 6 mm.

La gran concentración de calor puede atravesar por completo la unión (téc-nica del ojo de cerradura) en espesores de hasta 20 mm para ciertas aleacionesde titanio y aluminio. En la técnica de ojo de cerradura, la fuerza del arco deplasma desplaza al metal fundido y produce un orificio en el borde delantero delcharco de soldadura.

La soldadura con arco de plasma se usa con frecuencia, más que el arco detungsteno en gas, para uniones a tope y traslapadas, por su mayor concentra-ción de energía, mejor estabilidad del arco y mayores velocidades de avance. Esesencial que los operadores de este proceso tengan la formación y la destrezaadecuadas. Entre las consideraciones de seguridad están protegerse contra refle-jos, salpicaduras y el ruido del arco de plasma. Los costos de estos equipos vande 3000 a 6000 dólares.

12.6. Soldadura con termita

La soldadura con termita o aluminotérmica (tw) toma su nombre de for-mulaciones llamadas termita o thermit —nombre derivado de therm, calor. Lapalabra Thermit es una marca registrada. Este proceso implica reacciones exo-térmicas entre óxidos metálicos y agentes reductores metálicos. El calor queproduce esa reacción se usa para soldar. Este proceso data de los primeros añosdel siglo xx.

La mezcla más común de materiales para soldar acero y hierro fundido esde partículas finamente divididas de óxido de hierro (Fe 3O4), óxido de aluminio(Al2O3) y aluminio. Esta mezcla no explosiva produce una temperatura máximateórica de 3200◦C en menos de un minuto. Sin embargo, en la práctica sólo llegade 2200 a 2400◦C.

En la soldadura con termita se deben alinear las piezas que se van a unir,con un hueco entre ellas (que se suele llenar con cera) en torno al cual se for-ma un molde con arena o cerámico. Si las partes son muy gruesas, se puedeprecalentar la cavidad del molde para mejorar la soldadura y para secarlo. Esmuy importante secar el molde porque de otra forma el vapor sobrecalentadoaprisionado en el molde puede causar explosiones. Los productos sobrecalenta-dos de la reacción se dejan fluir al hueco y funden las orillas de las piezas quese unen. La soldadura con termita es adecuada para soldar y reparar grandespiezas forjadas y fundidas, y también para soldar perfiles estructurales de acero

178 12.7. Soldadura con haz de electrones

gruesos, rieles y tubos.

12.7. Soldadura con haz de electrones

En la soldadura con haz de electrones (ebw), desarrollada en la década de1960, se genera calor mediante los electrones de un haz fino y de alta velocidad.La energía cinética de los electrones se convierte en calor al chocar contra lapieza. Este proceso requiere equipo especial para enfocar el haz de electronesen la pieza, en el vacío; mientras mayor sea el vacío el haz penetra más y larelación entre profundidad y ancho es mayor.

Casi todos los metales pueden ser soldados con haz de electrones, y los groso-res de la pieza pueden ir desde la membrana hasta la placa. Una intensa energíatambién puede producir agujeros en la pieza (ojo de cerradura). En general nose requiere gas ni fundente protector, ni metal de aporte. Las capacidades delos cañones de electrones pueden llegar hasta 100 kW.

Posibilidades del proceso El proceso de soldadura con haz de electrones tienela capacidad de hacer soldaduras de alta calidad que tengan lados casi parale-los, sean profundas y delgadas, y cuya zona afectada por el calor sea pequeña.Las relaciones de profundidad-ancho van de diez a treinta. Los tamaños de lassoldaduras hechas con haz de electrones son mucho menores que las realizadascon procesos convencionales. Si se usan servocontroles, se pueden controlar losparámetros con exactitud y a velocidades hasta de 12 m/min.

Con este proceso se puede soldar casi cualquier metal, a tope o al traslape,con espesores de hasta 150 mm. Son mínimas la distorsión y contracción enel área de la soldadura. La calidad de la soldadura es buena, y de muy altapureza. Entre las aplicaciones típicas están las soldaduras de componentes deaviones, misiles, nucleares y electrónicos, y de engranajes y ejes para la industriaautomotriz.

El equipo de soldadura con haz de electrones genera rayos X, y en con-secuencia son esenciales la vigilancia adecuada y el mantenimiento periódico.Según la capacidad, el coste del equipo va de 75000 a más de un millón dedólares.

12.8. Soldadura con rayo láser

La soldadura con rayo láser (lbw) usa un rayo láser de alto poder comofuente de calor, y produce una soldadura por fusión. Como el rayo se puede enfo-car en un área muy pequeña, tiene gran densidad de energía y, por consiguiente,capacidad de penetración profunda.

El rayo se puede dirigir, conformar y enfocar con precisión sobre la pieza.Por lo anterior, este proceso es adecuado especialmente para soldar uniones


profundas y delgadas, con relaciones normales de profundidad-ancho entre 4 y10.

En la industria automotriz, la soldadura de componentes de transmisiones essu aplicación más difundida. Entre muchas otras aplicaciones está la soldadurade piezas delgadas para componentes electrónicos.

El rayo láser se puede pulsar (en milisegundos) para obtener aplicacionescomo en soldadura por puntos de materiales delgados, con potencias de hasta100 kW. Los sistemas de láser continuo de varios kW se usan para soldadurasprofundas en secciones gruesas.

Posibilidades del proceso Los procesos de soldadura con rayo láser producensoldaduras de buena calidad, con contracción y distorsión mínimas. Estas solda-duras tienen buena resistencia y en general son dúctiles y libres de porosidades.El proceso se puede automatizar, de tal modo que se use en diversos materialescon grosores de hasta 25 mm; es especialmente eficaz en piezas delgadas. Enlos metales y aleaciones que normalmente se sueldan están el aluminio, titanio,metales ferrosos, cobre, superaleaciones y metales refractarios. Las velocidadesde soldado van de 2,5 m/min hasta 80 m/min para metales delgados.

Por la naturaleza del proceso, la soldadura puede efectuarse en lugares inac-cesibles por otros medios. En la soldadura con rayo láser tiene especial impor-tancia la seguridad, por los riesgos extremos a los ojos y a la piel; los láseres deestado sólido (yag) son especialmente peligrosos.

Las principales ventajas del rayo láser sobre el haz de electrones son lassiguientes:

– No se requiere un vacío, así que el rayo se puede transmitir por el aire.

– Los rayos láser se pueden conformar, manipular y enfocar ópticamente,usando fibras ópticas, por lo que el proceso se puede automatizar confacilidad.

– Los rayos no generan rayos X (y sí se generan con el haz de electrones).

– Es mejor la calidad de la soldadura y tiene menor tendencia a la fusiónincompleta, salpicaduras y porosidades, y produce menos distorsión.

12.9. Corte

12.9.1. Corte con oxígeno y combustible gaseosos

El corte con combustible (ofc), u oxicorte, se parece a la soldadura conoxicombustible, pero en este caso la fuente de calor es para quitar una zonadelgada de una placa o lámina metálica. Este proceso es bastante adecuadopara los aceros.

180 12.9. Corte

Las reacciones básicas con el acero son:

Fe + O −→ FeO ∆H < 0;3Fe + 2O2 −→ Fe3O4 ∆H < 0;4Fe + 3O2 −→ 2Fe2O3 ∆H < 0.

La mayor cantidad de calor se genera con la segunda reacción y puede pro-ducir un aumento aproximado de temperatura de unos 870◦C. Sin embargo,esta temperatura no es suficiente para cortar los aceros, por lo que la pieza seprecalienta con un gas combustible y el oxígeno se introduce después. Mientrasmayor sea el contenido de carbono en el acero, la temperatura de precalenta-miento debe ser mayor.

El corte se produce principalmente por la oxidación (quemado) del acero;también se obtiene alguna fusión. Con este método se pueden cortar tambiénhierros fundidos y piezas de acero colado. El proceso genera una ranura.

Posibilidades del proceso El espesor máximo que se puede cortar con el oxicor-te depende principalmente de los gases que se usen. Con oxiacetileno, el espesormáximo es de unos 300 a 350 mm; son soplete oxhídrico, unos 600 mm. Los an-chos de saque van desde 1,5 a 10 mm, más o menos, con un control de toleranciasrazonablemente bueno. La llama deja líneas de arrastre en la superficie cortada,que termina siendo más áspera que las superficies que se obtienen por aserra-do, troquelado o con otras operaciones con herramientas de corte mecánico. Enel oxicorte, la distorsión causada por distribución no uniforme de temperaturapuede ser un problema serio.

Aunque se ha usado desde hace mucho en trabajos de chatarra y reparación,el oxicorte se puede usar en la manufactura. Se pueden guiar los sopletes endiversas trayectorias de forma manual, mecánica o con máquinas automáticascon controladores programables. El corte bajo el agua se hace con sopletes dediseño especial que producen una cubierta de aire comprimido entre la llama yel agua que la rodea.

12.9.2. Corte con arco

Los procesos de corte con arco se basan en los mismos principios de lasoldadura con arco. Con ellos se pueden cortar diversos materiales a grandesvelocidades. Como en la soldadura, los procesos de corte con arco dejan tambiénuna zona afectada por el calor, que se debe tener en cuenta, en especial enaplicaciones críticas.

En el corte con arco de carbono en aire (arcair) se emplea un electrodo decarbono y el metal fundido se sopla con un chorro de aire a gran velocidad. Así,el metal que se corta no tiene que oxidarse. Este proceso se usa en especial paraacanalar y biselar. Sin embargo, el proceso es ruidoso y el metal fundido puedesalir despedido a grandes distancias y ocasionar riesgos de seguridad.

El corte con arco y plasma (pac) produce las máximas temperaturas. Se


usa para cortes rápidos de placas de metal no ferroso y de acero inoxidable. Laproductividad de este proceso es mayor que la de los procesos de oxígeno y gascombustible. Produce buen acabado superficial y saques angostos, y es el quemás se usa de los que emplean controles programables en la manufactura dehoy.

Los rayos láser y los haces de electrones se usan para cortar con muchaexactitud una gran variedad de metales. El acabado superficial es mejor que elde otros procesos térmicos de corte, y el saque es el más angosto. Es importanteatenerse a las precauciones adecuadas de seguridad.

12.10. Unión adhesiva

Muchos componentes y productos se pueden unir y ensamblar usando unadhesivo, en lugar de alguno de los métodos que se han descrito hasta ahora.Un ejemplo clásico de unión adhesiva es el «plywood» (unión con pegamento)de varias capas de madera, desarrollada en 1905. La unión adhesiva ha idoganando cada vez mayor aceptación en la manufactura desde su primer uso agran escala: en ensamblaje de componentes sometidos a cargas en los avionesdurante la Segunda Guerra Mundial (1939–1945).

Los adhesivos se consiguen en varias formas: líquido, pasta, solución, emul-sión, polvo, cinta y película. Al ser aplicados, tienen en general más o menos 0,1mm de espesor.

Para satisfacer los requerimientos de determinada aplicación, puede ser ne-cesario que un adhesivo posea algunas de las siguientes propiedades: resistencia(cortante y al desprendimiento), tenacidad, resistencia a diversos fluidos y agen-tes químicos, resistencia a la degradación ambiental —incluidas la degradaciónpor calor y por humedad— y capacidad de humedecer las superficies que se vana unir.

12.10.1. Tipos de adhesivos y sistemas de unión

Existen diversos tipos de adhesivos en el mercado que proporcionan resis-tencia adecuada a la unión, incluyendo resistencia a la fatiga. Los tres tiposbásicos de adhesivos son los siguientes:

– Adhesivos naturales, como almidón, dextrina (sustancia gomosa obtenidadel almidón), harina de soja y productos animales.

– Adhesivos inorgánicos, como silicato de sodio y oxicloruro de magnesio.

– Adhesivos inorgánicos sintéticos, que pueden ser polímeros termoplásticos(para uso estructural y algunos para pegado estructural) o termofijos (parapegado estructural principalmente).

182 12.10. Unión adhesiva

Por su resistencia, los adhesivos orgánicos sintéticos son los más importantesen los procesos de manufactura, en especial para aplicaciones en partes sometidasa cargas. Se clasifican como sigue:

– Químicamente reactivos. Por ejemplo, poliuretanos, siliconas, epóxicos,cianoacrilatos, acrílicos modificados, fenólicos, poliimidas y anaeróbicos.

– Sensibles a la presión. Por ejemplo, hule natural, de estireno-butadieno,de butilo, nitrilo y poliacrilatos.

– Por ser una sustancia que reacciona en caliente o al ser fundida (hotmelts). Por ejemplo, termoplásticos —tales como copolímeros de etilenoy acetato de vinilo, poliolefinas, poliamidas y poliéster— y elastómerostermoplásticos.

– Evaporativos o por difusión. Incluyen los vinilos, acrílicos, fenólicos, po-liuretanos, hules sintéticos y naturales.

– En película o cinta. Como los nailon-epóxicos, elastómeros-epóxicos, nitri-lo-fenólicos, vinilo-fenólicos y las poliimidas.

– De unión retardada. Como los copolímeros de estireno-butadieno, acetatosde polivinilo, poliestirenos y poliamidas.

– Conductores eléctricos y térmicos. En esta clase están los epóxicos, po-liuretanos, siliconas y poliimidas. La conductividad eléctrica se obtieneagregando rellenos, como la plata (es la de uso más común), el cobre, elaluminio y el oro. Los rellenos que mejoran la conductividad eléctrica delos adhesivos también suelen mejorar su conductividad térmica.

De forma similar, los sistemas adhesivos se pueden clasificar con base ensus características químicas específicas:

– Sistemas a base de epóxico. Poseen alta resistencia y buenas propiedades aalta temperatura, hasta 200◦C, y las aplicaciones frecuentes son las balatasautomotrices y como aglutinante para los moldes de arena empleados enfundición.

– Acrílicos. Son adecuados para aplicaciones con sustratos que no estánlimpios.

– Sistemas anaeróbicos. El curado de estos adhesivos se hace en ausenciade oxígeno, y en general la unión es dura y frágil. Es posible reducir lostiempos de curado con calor externo o con radiación ultravioleta.

– Cianoacrilatos. La capa de unión es delgada, y el pegado se completa entre5 y 40 segundos.

– Uretanos. Tienen gran tenacidad y flexibilidad a temperatura ambiente, yse usan mucho como selladores.

– Siliconas. Son muy resistentes a la humedad y a los disolventes, poseengran resistencia al impacto y al desprendimiento. Sin embargo, los tiemposnormales de curado son de uno a cinco días.


Muchos de estos adhesivos pueden estar combinados para optimizar suspropiedades y obtener productos tales como epóxico-silicona, nitrilo-fenólico yepóxico-fenólico.

Los adhesivos menos costosos son los epóxicos y los fenólicos, y les siguen lospoliuretanos, acrílicos, siliconas y cianoacrilatos. Los adhesivos para aplicacionesde alta temperatura, hasta unos 260◦C, como las poliimidas y los polibenzimi-dazoles, suelen ser los más costosos.

12.10.2. Adhesivos conductores de electricidad

Aunque la mayor parte de los usos de las uniones adhesivas se dirige ha-cia la resistencia mecánica, un avance relativamente reciente es el desarrollo yla aplicación de adhesivos conductores de la electricidad, que reemplazan lasaleaciones de estañado a base de plomo, en particular en la industria electró-nica. También requieren temperaturas de curado o fraguado menores que lasnecesarias para soldar.

En esos adhesivos, el polímero es la matriz, y contiene metales conductores(rellenos) en formas como hojuelas y partículas. Hay una proporción mínima(en volumen) de rellenos necesaria para hacer que el adhesivo sea conductor dela electricidad; típicamente esta proporción está entre el cuarenta y el setentapor ciento. Se consiguen en forma de película o de pasta.

El tamaño, la forma y la distribución de las partículas metálicas, el métodode aplicación de calor y presión y la geometría del contacto conductor entrelas partículas pueden ser controladas para impartir al adhesivo conductividadeléctrica isotrópica o anisotrópica. Entre los rellenos característicos están laplata, el carbono, el níquel, el cobre y el oro. Entre los nuevos desarrollos derellenos está el uso de partículas poliméricas, como de poliestireno, recubiertascon capas delgadas de plata u oro. Los materiales de matriz son, en general,epóxicos, aunque también se emplean termoplásticos.

Entre las aplicaciones de los adhesivos conductores de electricidad están lascalculadoras, los controles remotos y los tableros de control, y se usan en ensam-bles electrónicos de alta densidad, pantallas de cristal líquido, juegos electrónicosy televisores de bolsillo.

12.10.3. Preparación y aplicación de la superficie

La preparación de la superficie es muy importante en la unión adhesiva. Laresistencia de la unión depende mucho de la ausencia de suciedad, polvo, aceitey diversos contaminantes. Las capas de óxido gruesas, débiles o sueltas sobre lassuperficies de las piezas son perjudiciales para la unión adhesiva (pegado). Porotro lado, puede ser conveniente tener una capa de óxido porosa (o delgada)y resistente, en especial con cierta rugosidad en la superficie para mejorar laadhesión. Se consiguen diversos compuestos y primarios que modifican las su-perficies, mejorando la resistencia de adhesión o pegado. Los adhesivos líquidos

184 12.10. Unión adhesiva

se pueden aplicar con brochas, aspersores o rodillos.

12.10.4. Posibilidades y alcance del proceso

Se pueden emplear adhesivos para unir una gran variedad de materialesy componentes, similares o distintos, metálicos y no metálicos, con distintasformas, tamaños y espesores. También se puede combinar la adhesión con losmétodos mecánicos de unión para mejorar la resistencia de unión. El diseño dela unión y los métodos de pegado requieren cuidado y destreza. Normalmentese requiere equipo especial, como soportes, prensas, herramientas, autoclaves yhornos para curar.

Las uniones adhesivas se diseñan para soportar las fuerzas de corte, decompresión y de tensión, pero no se deben sujetar a fuerzas de separación o dedesprendimiento.

Las grandes industrias que emplean extensamente los adhesivos son la ae-roespacial, la automotriz, de electrodomésticos y las de material para la cons-trucción. Una consideración importante en el uso de los adhesivos en producciónes el tiempo de curado, que puede ir de algunos segundos (a altas temperatu-ras) hasta varias horas (a temperatura ambiente), en especial con los adhesivostermofijos. Así, las producciones pueden ser bajas en comparación con otros pro-cesos de unión. Además, las uniones adhesivas para aplicaciones estructuralesrara vez son adecuadas para temperaturas mayores de 250◦C.

Es difícil hacer la inspección no destructiva de la calidad y la resistenciade los componentes pegados. Algunas técnicas son: el impacto acústico (golpe-teo), holografía, detección infrarroja y pruebas ultrasónicas, que son métodosno destructivos y efectivos de prueba.

Las principales ventajas del pegado son las siguientes:

– Suministrar una fijación en la interfase, con el fin de proporcionar resis-tencia estructural o para aplicaciones no estructurales como sellado, ais-lamiento, evitar corrosión electroquímica entre metales distintos y reducirla vibración y el ruido (mediante amortiguamiento interno en las uniones).

– Distribuir la carga en la interfase y eliminar así los esfuerzos localizadosque suele causar la unión de los componentes con sujeciones mecánicascomo tornillos. Además, se mantiene la integridad estructural de las sec-ciones, porque no se requieren orificios, y en general mejora el aspecto delos componentes.

– Es posible pegar componentes muy delgados y frágiles sin que su pesoaumente mucho.

– Es posible unir materiales porosos, y con propiedades y tamaños muydistintos.

– Como se acostumbra a hacer a una temperatura intermedia entre la am-biental y unos 200◦C, no hay mucha distorsión de los componentes ni


cambio en sus propiedades originales. El evitar tal distorsión tiene muchaimportancia en materiales sensibles al calor.

Las principales limitaciones de la unión adhesiva son las siguientes:

– Intervalos limitados de temperatura de servicio.

– Con probabilidad, tiempo largo de curado.

– Es preciso tener mucho cuidado al preparar las superficies.

– Dificultad de probar las uniones pegadas no destructivamente, en especiallas estructuras grandes.

– Poca fiabilidad de las estructuras pegadas durante su vida de servicio.

El costo de la unión adhesiva depende de la operación en particular. Sinembargo, en muchos casos la economía general del proceso lo hace atractivo. Aveces es el único posible o práctico. El costo del equipo varía mucho, dependiendodel tamaño y el tipo de operación.

12.10.5. Diseño para la unión adhesiva

– Los diseños para la unión con adhesivo deben asegurar que las unionessólo se sometan a fuerzas de compresión, tensión y cortante, y no a des-prendimiento o separación.

– La resistencia de los diferentes tipos de uniones pegadas varía mucho y, enconsecuencia, es importante la selección del diseño adecuado, debiéndosetener en cuenta factores como el tipo de carga y el ambiente.

– Las uniones a tope requieren grandes superficies de unión. Las unionessencillas traslapadas tienden a distorsionarse bajo tensiones, por la fuerzadel par en la unión.

– Es preferible que los coeficientes de dilatación de los componentes quese van a pegar sean de valores similares, para evitar esfuerzos internosdurante la unión. También se deben evitar situaciones en las que los ciclostérmicos puedan causar movimiento diferencial a través de la unión conadhesivo.

12.11. Sujeción mecánica

Puede ser preferible la sujeción mecánica sobre otros métodos por una seriede razones : facilidad de manufactura; facilidad de ensamble y transporte; facili-dad de desarmado, mantenimiento y reemplazo o reparación de partes; facilidadde crear diseños que requieran uniones móviles, como bisagras, mecanismos de

186 12.11. Sujeción mecánica

corredera y componentes y soportes ajustables; menor costo general de manu-factura del producto.

El método más común de sujeción mecánica es el uso de tornillos, tuercas,roscas, pernos y una diversidad de fijadores o sujetadores. Estos procesos tam-bién se llaman ensamblado mecánico. En general, la sujeción mecánica requiereque los componentes posean orificios a través de los cuales se inserten los su-jetadores. Esas uniones pueden someterse a esfuerzos cortantes y de tensión, ydeben estar diseñadas para resistirlos.

12.11.1. Preparación del orificio

La preparación del orificio es un aspecto importante de la sujeción mecáni-ca. Para tener mejor exactitud y acabado superficial, muchas de las operacionesde agujereado pueden continuarse con otras de acabado, como rectificado, des-barbado, escariado y honeado.

Por las diferencias fundamentales en sus características, las diversas ope-raciones de agujereado producen orificios con distintos acabados y propiedadessuperficiales, así como distintas tolerancias dimensionales. La influencia más im-portante de un orificio en un sólido es su tendencia a reducir la vida de fatigadel componente, debido a la concentración de esfuerzos.

Lo mejor para aumentar la vida de fatiga es inducir esfuerzos residuales decompresión sobre la superficie cilíndrica del orificio. Estos esfuerzos se suelen in-ducir empujando una varilla redonda (mandrín) por el orificio, y expandiéndolouna cantidad muy pequeña. Esta operación deforma plásticamente las capassuperficiales del orificio, en forma parecida a la que se ve en el granallado o elbruñido con rodillos.

12.11.2. Sujetadores roscados

Los tornillos y tuercas son los sujetadores o fijadores roscados de uso másfrecuente. Para fabricarlos se siguen numerosas normas y especificaciones, queincluyen las dimensiones de rosca, tolerancias, paso, resistencia y calidad deestos sujetadores.

Los tornillos y pernos se pueden asegurar con tuercas (tornillos de carroceríay de máquina) o se pueden hacer autorroscantes : en estos el tornillo corta oconforma la rosca en la pieza que se va a fijar.

Si la unión se va a someter a la vibración, como en los aviones, diversostipos de motor y maquinaria de alta velocidad, se dispone de varias tuercasy contratuercas de diseño especial. Aumentan la resistencia a la fricción en ladirección de torsión, por lo que se inhibe el aflojamiento por vibración de lossujetadores.


12.11.3. Remaches

El método más común de unión mecánica permanente o semipermanente esel remachado; en la construcción y ensamblaje de un avión comercial grande sepueden usar cientos de miles de remaches. La instalación de un remache constade dos pasos: colocar el remache en el orificio y deformar el extremo de su cuerpopor recalcado o batido.

El remachado se puede hacer a temperatura ambiente o elevada. Dentro deuna cavidad en el remache se pueden poner explosivos, y detonarlos para dilatarel extremo del remache.

12.11.4. Diseño para sujeción mecánica

El diseño de las uniones mecánicas requiere considerar el tipo de carga (porejemplo, si es cortante o de tensión) a la que se someterá la estructura, y eltamaño y las distancias de los orificios.

Es importante la compatibilidad del elemento de sujeción con el que se vana unir los componentes. Si no hay compatibilidad, se puede producir corrosióngalvánica, llamada también corrosión en hendiduras. Por ejemplo, en un sistemadonde se use un tornillo o remache de acero para sujetar láminas de cobre, eltornillo es el ánodo y la placa de cobre el cátodo; esta combinación causa larápida corrosión y pérdida de la resistencia de la unión. Los sujetadores dealuminio o de zinc, sobre productos de cobre, reaccionan de manera parecida.

Entre los lineamientos generales para la unión mecánica se incluyen lossiguientes:

– En general, es menos costoso usar menos elementos de sujeción, pero másgrandes, que usar una gran cantidad de fijadores pequeños.

– El ensamblaje de la pieza se debe lograr con una cantidad mínima deelementos de sujeción.

– El ajuste entre las piezas a unir debe ser tan holgado como sea posible,para reducir los costos y facilitar el proceso de ensamble.

– Siempre que sea posible, se deben usar elementos de sujeción de tamañoestándar.

– Los orificios deben estar alejados de las orillas o las esquinas, para evitarel rasgado del material al someterlo a fuerzas extremas.

12.11.5. Otros métodos de sujeción

Engrapado El proceso de engrapado o cosido metálico se parece mucho alengrapado ordinario. Se trata de una operación rápida, que se presta en especiala unir materiales metálicos y no metálicos delgados.

188 12.12. Unión de plásticos

Engargolado El engargolado se basa en el sencillo principio de doblar en con-junto dos piezas de material delgado. Entre los ejemplos comunes del engargola-do están las tapas de latas de bebidas, los recipientes para productos alimentariosy domésticos, y los conductos de calefacción y acondicionamiento de aire.

En el engargolado, los materiales deben poder sufrir flexiones y doblez conradios muy pequeños, porque de lo contrario se rompen. La eficiencia y la fiabi-lidad de los engargolados puede mejorarse agregando adhesivos, recubrimientoso sellos, o mediante estañado.

Plegado El proceso de plegado es un método de unión sin sujetadores. Sepuede usar con bandas o con resaltes que se pueden hacer con operacionesde emboquillado o embutido. El plegado se puede hacer en partes tubulares yplanas, siempre que los materiales sean lo bastante delgados y dúctiles comopara resistir las grandes deformaciones localizadas. Las chapas se fijan a lasbotellas por plegado, al igual que algunos conectores en los cables eléctricos.

Sujetadores de agarre o ajuste instantáneo Se emplean mucho en carroceríasy en electrodomésticos. Son económicos y permiten armar los componentes enforma fácil y rápida.

Ajustes de contracción y de prensa También se pueden ensamblar los compo-nentes con ajustes de contracción y de prensa. El ajuste de contracción se basaen una diferencia entre las contracciones térmicas de dos componentes. Entrelas aplicaciones habituales están el ensamblaje de componentes de dados y elmontaje de engranajes y levas en ejes. En el ajuste de prensa, un componentese introduce en otro con una prensa; este proceso da como resultado una granresistencia en la unión.

12.12. Unión de plásticos

Los plásticos se pueden unir con muchos de los métodos que ya se descri-bieron para unir metales y materiales no metálicos, en especial con calor y confijación mecánica.

12.12.1. Unión de termoplásticos

Los termoplásticos se reblandecen y funden al aumentar la temperatura,y en consecuencia se pueden unir con método en los que se genere calor (defuente externa o interna) en la interfase. El calor suaviza el termoplástico enla interfase y éste alcanza un estado viscoso o fundido; al aplicar presión paraasegurar una buena unión, se permite que tenga lugar la fusión. También sepueden usar materiales de aporte del mismo tipo del polímero.


Las fuentes externas de calor pueden ser varias; la elección depende de lacompatibilidad de los polímeros que se van a unir.

– Aire o gases calientes, o irradiación infrarroja generada con lámparas decuarzo de gran intensidad calorífica.

– Herramientas y dados calentados —en un proceso denominado soldaduraa la placa caliente—, donde las piezas que se van a unir se prensan contrauna superficie caliente y después entre sí, para efectuar interdifusión delas cadenas moleculares. Este proceso se usa con frecuencia para soldartubos a tope.

– Calentamiento con radiofrecuencia o dieléctrico, muy útil para películasdelgadas.

– Con alambres o cables de alambre, o con cintas, láminas y cuerdas a basede carbón, y resistencia eléctrica; los elementos mencionados se colocanen la intercara para crear calor mediante el paso de corriente eléctrica.Este proceso se llama soldadura con implante resistivo. También se puedesometer a un campo de radiofrecuencias a los elementos de la interfase(soldadura por inducción). En ambos casos, los elementos de la interfasedeben ser compatibles con la aplicación del producto unido, porque sequedan en la zona de la soldadura.

– Láseres que emitan rayos desenfocados a baja potencia, para evitar ladegradación del polímero.

Las fuentes internas de calor se producen con los siguientes métodos:

– Soldadura ultrasónica, que es el proceso de uso más común para los ter-moplásticos, en especial para polímeros amorfos.

– Soldadura por fricción (llamada soldadura de giro para polímeros). Esteúltimo proceso se adapta en especial para unir polímeros con alto gradode cirstalinidad, como los de acetal, polietileno, nailons y polipropileno.

– Soldadura orbital, que se parece a la soldadura por fricción, pero el movi-miento rotativo de un componente es una trayectoria orbital.

Aplicaciones El método de fusión es bastante efectivo en plásticos que no sepueden unir con facilidad con adhesivos. En esta forma se pueden unir plásticoscomo cloruro de polivinilo, polietileno, polipropileno, acrílicos y acrilonitrilo-butadieno-estireno (abs). Por ejemplo, se han desarrollado sistemas especial-mente diseñados, portátiles, de sellado por fusión, para permitir la unión detubo de plástico en el campo.

Las envolturas múltiples coextruidas para alimentos consisten en diversostipos de películas que se unen con calor durante su extrusión. Cada películatiene una función distinta; por ejemplo, una contra la humedad, otra contrael oxígeno y la tercera para facilitar el sellado térmico durante el proceso de

190 12.12. Unión de plásticos

empaque. Algunas envolturas tienen hasta siete capas, todas unidas entre sídurante la producción.

Durante la unión de algunos polímeros, puede presentarse oxidación, comoen el polietileno que puede causar degradación. En estos casos se usa un gasinerte protector, como el nitrógeno, para evitarla. Por la baja conductividadtérmica de los termoplásticos, la fuente de calor puede quemar o carbonizarlas superficies de los componentes, si se aplica el calor con gran intensidad;este efecto puede causar dificultades para lograr una fusión con la profundidadsuficiente.

La unión adhesiva de los plásticos se ilustra mejor con la unión de tramosde tubo de cloruro de polivinilo y de tubo de abs —empleado en los sistemas dedrenaje, de desechos y de ventilación—. El adhesivo se aplica a las superficiesde la vaina de unión y del tubo, y se usa un primario para mejorar la adhesión,en un paso que se parece mucho al de aplicar primarios en la pintura; después,las prensas se comprimen entre sí.

La unión adhesiva de polietileno, polipropileno y politratrafluoruroetileno(teflón) se puede dificultar, porque los adhesivos no se ligan con facilidad a ellos.En general, se deben tratar químicamente las superficies de las partes hechas conestos materiales para mejorar la adhesión. También es eficaz el uso de adhesivoso de cintas adhesivas de una o de dos caras.

En otros métodos para unir plásticos, se aceptan cada vez más los sujeta-dores con ajuste instantáneo integrado como herramienta para simplificar lasoperaciones de ensamblado. Como el sujetador puede moldearse en forma direc-ta al mismo tiempo que el plástico, agrega muy poco al costo del conjunto, porlo que esta técnica es muy económica porque reduce el tiempo de ensamblado yminimiza la cantidad necesaria de piezas.

La sujeción mecánica tiene eficacia especial en la mayor parte de los plás-ticos, debido a su tenacidad y resistencia inherentes. Es práctica general el usode tornillos autorroscantes.

12.12.2. Unión de materiales termofijos

Como no se reblandecen ni se funden al aumentar la temperatura, los plásti-cos termofijos, como los epóxicos y los fenólicos, se suelen unir con las siguientestécnicas:

– Insertos roscados o moldeados de otra índole.

– Elementos de sujeción mecánicos, en especial tornillos autorroscantes yelementos de sujeción instantánea integrada.

– Pegado con solventes.

El proceso básico de unión de termofijos con solventes consiste en los si-guientes pasos: hacer ásperas las superficies con un abrasivo; lavar y limpiar las


superficies con un solvente; comprimir entre sí las superficies y sujetarlas hastaque se haya desarrollado la resistencia suficiente en la unión.

Tema 13

Conformación por

eliminación de material I

13.1. Fundamentos del corte

Los procesos de corte quitan material de la superficie de una pieza y produ-cen virutas. Uno de los procesos más comunes es el cilindrado. La herramientade corte se ajusta a determinada profundidad de corte y se mueve hacia la iz-quierda con cierta velocidad a medida que gira la pieza. El avance o velocidadde avance es la distancia que recorre la herramienta en cada revolución. Comoconsecuencia de esta acción se produce una viruta, que se mueve cuesta arribapor la cara de la herramienta.

Las principales variables independientes en el proceso de corte son las si-guientes: el material, recubrimientos y estado de la herramienta; la forma, aca-bado superficial y filo de la herramienta; los parámetros del corte, tales comovelocidad, avance y profundidad del mismo; los fluidos de corte; las caracterís-ticas de la máquina herramienta, como por ejemplo rigidez y amortiguamiento;la sujeción y soporte de la pieza.

Por su parte, las principales variables dependientes son las siguientes: eltipo de viruta producida; la fuerza y energía disipadas en el proceso de corte;el aumento de temperatura en la pieza, la viruta y la herramienta; el desgastey eventual fallo de la herramienta; el acabado superficial producido en la piezadespués de maquinarla.

13.2. La mecánica de la formación de virutas

Aunque casi todos los procesos de corte son de naturaleza tridimensional,el modelo que aquí describiremos, bidimensional, es suficientemente útil paraestudiar la mecánica básica del corte. En ese modelo, llamado corte ortogonal,la herramienta posee un ángulo de ataque y un ángulo de incidencia o de holgura.

194 13.2. La mecánica de la formación de virutas

En exámenes macroscópicos se ha visto que las virutas se producen porun proceso de cizalladura, acción que se produce a lo largo de una zona decizalladura (plano cortante). El espesor tc de la viruta se puede calcular si seconocen la profundidad t0 de corte, el ángulo de ataque α y el ángulo que formael plano cortante con la superficie de la pieza, φ. La relación t0

tcse denomina

relación de corte, r, y se puede expresar así:

r =t0

tc=

sin φ

cos (φ − α).

El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte; porconsiguiente, el valor de r siempre es menor que la unidad. El recíproco de r sellama relación de compresión de viruta, y es una medida de lo gruesa que es laviruta en relación con la profundidad de corte. Por consiguiente, la relación decompresión de viruta siempre es mayor que la unidad.

También se debe observar que, aunque hasta aquí se ha llamado profundi-dad de corte a t0, en muchos procesos de maquinado dicha cantidad se conocecomo avance. La relación de corte es un parámetro útil e importante para eva-luar las condiciones del corte. Ya que el espesor t0 de la viruta no deformadaes un ajuste de la máquina, y en consecuencia es conocido —y es una variableindependiente—, la relación de corte se puede calcular con facilidad midien-do con un micrómetro de tornillo o de carátula el espesor de la viruta. Comotambién se conoce el ángulo de ataque para determinada operación de corte, sepuede calcular la deformación cortante γ que sufre el material:

γ =1

tan φ+ tan (φ − α).

Nótese que hay grandes deformaciones cortantes asociadas con pequeños ángulosde plano cortante, o con ángulos de ataque bajos o negativos. Se han observadodeformaciones cortantes de 5 o mayores en las operaciones reales de corte.

El ángulo del plano cortante posee una gran importancia en la mecánica delas operaciones de corte. Influye sobre los requisitos de fuerza y de potencia ysobre el espesor y la temperatura de la viruta (debido al trabajo de deformación).En consecuencia, se ha prestado mucha atención a determinar las relacionesentre el ángulo del plano cortante y las propiedades del material de la pieza, ylas variables del proceso de corte.

Uno de los primeros análisis se basó en la hipótesis de que el ángulo delplano cortante se ajusta sólo para minimizar la fuerza de corte, o que el planode corte es un plano de esfuerzo cortante máximo. Con este análisis se llegó ala ecuación:

φ = 45◦ +α

2−

β

2,

donde β es el ángulo de fricción y está relacionado con el coeficiente de fricción,µ, en la interfaz viruta-herramienta (cara de ataque).

Como el espesor de la viruta es mayor que la profundidad del corte, lavelocidad vc de flujo de la viruta debe ser menor que la velocidad v de corte.

13. Conformación por eliminación de material I 195

Ya que se debe mantener la continuidad de la masa, se tiene:

vt0 = vctc o sea, vc = vr.

Por tanto,

vc =v sin φ

cos (φ − α).

También se puede construir un diagrama de velocidades y, con relacionestrigonométricas, obtener la ecuación:

v

cos (φ − α)=

vs

cosα=

vc

sin φ,

donde vs es la velocidad con la que se efectúa el cizallamiento en el plano cor-tante. Nótese también que:

r =t0

tc=

vc

v.

Estas relaciones de velocidad se usan para determinar la potencia necesaria enlas operaciones de corte.

13.3. Tipos de viruta producida en el corte demetales

Al observar la formación real de virutas bajo distintas condiciones de cortede metales, se ven desviaciones apreciables del modelo ideal. Se describirán lossiguientes tipos de viruta: continua, de borde acumulado o recrecido, escalonadao segmentada y discontinua.

Una viruta posee dos superficies: una en contacto con la cara de la herra-mienta (cara de ataque) y otra de la superficie original de la pieza. La cara de laviruta hacia la herramienta es brillante o bruñida, y ello se debe al frotamientode la viruta al subir por la cara de la herramienta. La otra superficie de la viru-ta no se pone en contacto con cuerpo alguno. Esta superficie posee un aspectorasgado y áspero, que se debe al propio proceso de corte.

13.3.1. Virutas continuas

Las virutas continuas se suelen formar con materiales dúctiles a grandes ve-locidades de corte y/o grandes ángulos de ataque. La deformación del material seefectúa a lo largo de una zona de cizalladura angosta, la zona primaria de corte.Las virutas continuas pueden, por la fricción, desarrollar una zona secundariade corte en la interfase entre la herramienta y la viruta. La zona secundaria sevuelve más gruesa a medida que aumenta la fricción entre la herramienta y laviruta.

En las virutas continuas la deformación también puede ser a lo largo deuna zona primaria de corte amplia, con límites curvos. La frontera inferior está

196 13.3. Tipos de viruta producida en el corte de metales

debajo de la superficie maquinada y somete a esta superficie a una distorsión,como muestran las rayas verticales distorsionadas. Este caso se presenta en espe-cial al maquinar metales suaves a velocidades y ángulos de ataque bajos. Puedeproducir mal acabado superficial e introducir esfuerzos superficiales residuales,que pueden ser perjudiciales para las propiedades de la parte maquinada.

Aunque en general producen buen acabado superficial, las virutas continuasno siempre son deseables, en especial en las máquinas herramientas controladaspor computadora que son habituales hoy en día. Tienden a enredarse en el por-taherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminaciónde viruta, y se debe parar la operación para apartarlas. Este problema se puedealiviar con los rompevirutas, y cambiando los parámetros de maquinado, comola velocidad de corte, el avance y los fluidos de corte.

13.3.2. Virutas de borde acumulado o recrecido

Una viruta de borde acumulado consiste en capas de material de la piezamaquinada que se depositan en forma gradual sobre la herramienta (de aquí eltérmino acumulada). La viruta puede formarse en la punta de la herramientadurante el corte. Al agrandarse, esta viruta se hace inestable y finalmente serompe. Parte del material de la viruta es arrastrado por el lado que ve a laherramienta, y el resto se deposita al azar sobre la superficie de la pieza. Elproceso de formación y destrucción del borde acumulado se repite en formacontinua durante la operación de corte, a menos que se tomen medidas paraeliminarlo.

El borde acumulado se observa con frecuencia en la práctica. Es uno de losfactores que afecta de manera más adversa al acabado superficial en el corte.De hecho, un borde acumulado cambia la geometría del filo de corte.

Por el endurecimiento por trabajo y la deposición de capas sucesivas dematerial, la dureza del borde acumulado aumenta constantemente. Aunque engeneral el borde acumulado es indeseable, se considera que un borde delgado yestable es favorable, porque reduce el desgaste, protegiendo la cara de ataquede la herramienta.

A medida que aumenta la velocidad de corte disminuye el tamaño del bordeacumulado; de hecho, puede no formarse. La tendencia a la formación de bordeacumulado se reduce también con cualquiera de los siguientes métodos: disminuirla profundidad de corte; aumentar el ángulo de ataque; usar una herramientaaguda; usar un buen fluido de corte.

En general, mientras mayor sea la afinidad (tendencia a formar una liga) delos materiales de la herramienta y la pieza, mayor es la tendencia al borde acu-mulado. Además, un metal trabajado en frío tiene, en general, menor tendenciaal borde acumulado que uno que haya sido recocido.

13.3.3. Virutas escalonadas o segmentadas

Las virutas escalonadas (también denominadas virutas segmentadas o nohomogéneas) son semicontinuas, con zonas de baja y alta deformación cortante.


Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que disminuye rápi-damente con la temperatura, como el titanio, muestran este comportamiento.Las virutas tienen un aspecto de diente de sierra.

13.3.4. Virutas discontinuas

Las virutas discontinuas consisten en segmentos que pueden fijarse, de formafirme o floja, entre sí. Se suelen formar bajo las siguientes condiciones:

– Materiales frágiles en la pieza, porque no tienen la capacidad para absorberlas grandes deformaciones constantes que se presentan en el corte.

– Materiales de la pieza que contienen inclusiones e impurezas duras, o quetienen estructuras como las láminas de grafito en la fundición gris.

– Velocidades de corte muy bajas o altas.

– Grandes profundidades de corte.

– Ángulos de ataque bajos.

– Falta de un fluido de corte eficaz.

– Baja rigidez de la máquina herramienta.

Por la naturaleza discontinua de la formación de virutas, las fuerzas varíanen forma continua durante el corte. En consecuencia, adquieren importancia larigidez del portaherramientas y de los sujetadores de la pieza, así como de lamáquina herramienta, cuando se forman virutas discontinuas o escalonadas.

13.3.5. Viruta en forma de rizos

En todas las operaciones de corte de los metales y en los materiales nometálicos, como plásticos y madera, las virutas desarrollan una curvatura (formade rizos de viruta) al salir de la superficie de la pieza. Todavía no se comprendencon claridad las razones de la formación de rizos. Entre los posibles factores quecontribuyen al fenómeno están la distribución de esfuerzos en las zonas primariay secundaria de corte, los efectos térmicos, las características de endurecimientopor trabajo del material de la pieza y la geometría de la cara de ataque de laherramienta de corte.

También las variables del proceso y las propiedades del material afectan ala formación de rizos de la viruta. En general, el radio de curvatura baja —yla viruta se enrosca más— a medida que disminuye la profundidad de corte:esto aumenta el ángulo de ataque y disminuye la fricción en la interfase entreherramienta y viruta. Además, el uso de fluidos de corte y de diversos aditivosen el material de la pieza influyen sobre la formación de rizos.

198 13.4. Vida de las herramientas: desgaste y fallo

13.3.6. Rompevirutas

Las virutas largas y continuas son indeseables, porque constituyen un riesgopotencial de seguridad, tienden a enredarse e interferir con las operaciones decorte. Esta situación es muy problemática en la maquinaria automatizada dealta velocidad y en celdas de maquinado sin atención, que usan máquinas decontrol numérico por computadora. Si todas las variables independientes demaquinado están bajo control, el procedimiento normal para evitar esta virutacontinua es romperla en forma intermitente con un rompevirutas.

Aunque el rompevirutas ha sido por tradición una placa de metal fija ala cara de ataque de la herramienta que dobla la viruta y la rompe, la mayorparte de las herramientas de corte e insertos de hoy poseen características in-corporadas de rompevirutas, con distintos diseños de insertos individuales. Losrompevirutas aumentan el ángulo efectivo de ataque de la herramienta y, enconsecuencia, aumentan el ángulo de plano constante.

También se pueden romper las virutas debido a la geometría de la herra-mienta, controlando así el flujo. La experiencia indica que la viruta ideal tienela forma de una letra C o del dígito 9, y que cabe en un cuadrado de 25 mm.

Con materiales suaves de la pieza, como aluminio o cobre puros, por lo ge-neral no es eficaz romper virutas con estos métodos. Las técnicas comunes quese usan en estos casos incluyen maquinar a pequeños incrementos para despuéshacer una pausa (para no generar viruta) o invertir el avance en pequeños in-crementos. En operaciones interrumpidas de corte, no se necesitan en generalrompevirutas, porque las virutas ya tienen longitudes finitas por la naturalezaintermitente de la operación.

13.3.7. Formación de virutas en materiales no metálicos

Muchas de las explicaciones para los metales también se pueden aplicar engeneral a los materiales no metálicos. Al cortar termoplásticos se obtiene unadiversidad de virutas, según el tipo de polímero y de parámetros del proceso,como profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte.Por ser frágiles, los plásticos termofijos y las cerámicas producen, en general,virutas discontinuas.

13.4. Vida de las herramientas: desgaste y fallo

En las secciones anteriores se ha explicado que las herramientas de corteestán sometidas a: grandes esfuerzos localizados, altas temperaturas, desliza-miento de viruta por la cara de ataque, y deslizamiento de la herramienta por lasuperficie recién cortada. Estas condiciones inducen el desgaste de la herramien-ta que, a su vez, afecta en forma negativa a la vida de la herramienta, la calidadde la superficie maquinada y su exactitud dimensional, y en consecuencia a laeconomía de las operaciones de corte.


Existen dos tipos básicos de desgaste, que corresponden a dos regiones deuna herramienta: el desgaste de flanco y el desgaste de cráter.

13.4.1. Desgaste de flanco

El desgaste de flanco se presenta en la superficie de incidencia de la he-rramienta, y en general se atribuye a: frotamiento de la herramienta sobre lasuperficie maquinada, que causa desgaste adhesivo y/o abrasivo, y alta tem-peratura, que afecta a las propiedades del material de la herramienta y a lasuperficie de la pieza.

En un estudio clásico, debido a F.W. Taylor, sobre aceros para maquina-do, que se publicó en 1907, se estableció la relación aproximada:

vtn = C, (13.1)

en la que v es la velocidad de corte, t es el tiempo, en minutos, que tarda endesarrollarse cierta cara de desgaste en el flanco, n es un exponente que dependede los materiales de herramienta y de la pieza, así como de las condiciones decorte, y C es una constante.

Cada combinación de materiales de pieza y herramienta, y cada condiciónde corte, poseen sus propios valores de n y C, y ambos se determinan experi-mentalmente. La velocidad de corte es la variable más importante del procesoque influye sobre la duración de la herramienta, aunque también son importan-tes la profundidad de corte y la rapidez de avance. Así, la ecuación (13.1) puedereemplazarse por:

vndxfy = C, (13.2)

donde d es la profundidad de corte y f es el avance en el torneado.

Se deben determinar experimentalmente los exponentes x e y para cadacondición de corte. Si se supone que n = 0,15, x = 0,15 e y = 0,6 son valorescaracterísticos que se encuentran en la práctica, se puede ver que la velocidad decorte, la de avance y la profundidad de corte poseen una importancia decreciente.

La ecuación (13.2) se puede reexpresar como sigue:

t = C1

n v−1

n d−xn f−

y

n , o sea, t ' C7v−7d−1f−4.

A partir de aquí pueden hacerse las siguientes observaciones, para obtener unavida de la herramienta constante:

– Si se aumenta la rapidez de avance o la profundidad de corte, debe dismi-nuirse la velocidad de corte, y viceversa.

– Dependiendo de los exponentes, una reducción de la velocidad puede tenercomo consecuencia un aumento de material removido, por la mayor rapidezde avance y/o profundidad de corte.


Curvas de vida de la herramienta Las curvas de vida de herramienta songráficas de datos experimentales obtenidos en pruebas de corte con varios ma-teriales bajo distintas condiciones y variando los parámetros de proceso, comovelocidad de corte, avance, profundidad de corte, material y geometría de laherramienta y fluidos de corte.

Es importante el tratamiento térmico de la pieza, principalmente porqueaumenta la dureza de la misma. Por ejemplo, la ferrita posee una dureza apro-ximada de 100 HB, la perlita de 200 HB y la martensita de 300 a 500 HB.Las impurezas y los componentes duros en el material o en la superficie de lapieza —como, por ejemplo, herrumbre, cascarilla, escoria, etc.—, también sonde importancia, porque su acción abrasiva reduce la vida de la herramienta.

Las curvas de vida de herramienta, de las cuales se puede calcular el expo-nente n, se suelen trazar en papel logarítmico. Estas curvas son más o menosrectas en un intervalo limitado de velocidades de corte, y raramente lo son en unintervalo amplio. Además, el exponente n puede volverse en realidad negativo,a bajas velocidades de corte. Estas curvas de duración de herramienta puedenhasta tener un máximo y a continuación descender. Debido a lo anterior, sedebe tener cuidado al emplear ecuaciones de duración de herramienta fuera delintervalo de velocidades de corte en el que se aplican.

Pista de desgaste admisible Cuando comienza a empeorar la calidad del cortey a aumentar demasiado las fuerzas necesarias en él, las herramientas de corte seafilan o cambian. Concretamente, los criterios de afilado o sustitución son: cuan-do el acabado superficial de la pieza maquinada comienza a empeorar; cuandolas fuerzas de corte aumentan en forma apreciable; y cuando la temperaturaaumenta en forma apreciable.

La velocidad recomendada de corte para un acero rápido es, en general, laque produce una duración de herramienta entre 60 y 120 minutos (para herra-mientas de carburo, entre 30 y 60 minutos). Sin embargo, las velocidades selec-cionadas de corte pueden variar bastante respecto a estos valores, dependiendode la pieza, la operación y las consideraciones de alta productividad debidas aluso de máquinas herramientas modernas y controladas por computadora.

Velocidad óptima de corte Hemos visto que al aumentar la velocidad de corte,la vida de la herramienta se reduce con rapidez. Por otra parte, si las velocidadesde corte son muy bajas, la herramienta dura mucho, pero también es baja larapidez con que se elimina el material.

13.4.2. Desgaste de cráter

El desgaste de cráter se presenta en la cara de ataque de la herramienta y,ya que cambia la geometría de la interfase entre viruta y herramienta, afecta alproceso de corte. Los factores más importantes que influyen sobre el desgastede cráter son: la temperatura en la interfase herramienta-viruta, y la afinidad


química entre materiales de herramienta y pieza. Además, los factores que in-fluyen sobre el desgaste de flanco también influyen mucho sobre el desgaste decráter.

Se ha descrito el desgaste de cráter en términos de un mecanismo de difusión,i.e., del movimiento de los átomos a través de la interfase entre herramienta yviruta. Como la rapidez de la difusión se incrementa al aumentar la temperatura,el desgaste de cráter se incrementa al aumentar la temperatura.

13.4.3. Desportillamiento

Desportillado es el término que se usa para describir la rotura y expulsiónde una pequeña parte del filo de la herramienta. Las partes desportilladas de laherramienta de corte pueden ser muy pequeñas (microdesportillado o macrodes-portillado) o pueden ser relativamente grandes (desportillado grueso o fractura).A diferencia del desgaste, que es un proceso gradual, el desportillamiento da co-mo resultado una pérdida repentina del material de la herramienta y un cambiocorrespondiente de forma, y tiene un gran efecto negativo sobre el acabado su-perficial, la integridad superficial y la exactitud dimensional de forma.

Dos causas principales del desportillado son el choque mecánico (impactopor interrumpir el corte, como cuando se talla o tornea un eje estirado) y lafatiga térmica (variaciones cíclicas de temperatura de la herramienta en el corteinterrumpido). Las grietas térmicas suelen ser perpendiculares al filo cortantede la herramienta. El desportillamiento puede ser consecuencia de grandes in-consistencias en la composición del material de la pieza o en su estructura. Eldesportillamiento se puede presentar en una región de la herramienta donde yaexista una grieta o un defecto pequeños.

Los ángulos de ataque positivos grandes también pueden contribuir al des-portillamiento, por el ángulo incluido pequeño de la punta de la herramienta.Además, es posible que la región de desgaste de cráter avance hacia la punta dela herramienta, debilitándola y causando su desportillamiento. El desportilla-miento o la fractura se pueden reducir seleccionando materiales de herramientacon gran resistencia al impacto y al choque térmico.

13.4.4. Observaciones generales sobre el desgaste de herra-mientas

A causa de los muchos factores que intervienen, que incluyen las caracte-rísticas de la máquina herramienta y la calidad de una herramienta fabricadapor determinado proveedor, el comportamiento de las herramientas de corte enel desgaste varía mucho. Además de los procesos de desgaste ya mencionados,hay otros fenómenos que también contribuyen a los patrones del desgaste de laherramienta.

Por ejemplo, por la disminución del esfuerzo de fluencia a altas tempera-turas generadas durante el corte, las herramientas se pueden ablandar y sufrir


deformación plástica. En general, esta clase de deformación se presenta al maqui-nar metales y aleaciones de alta resistencia. En consecuencia, las herramientasdeben ser capaces de mantener su resistencia y su dureza a las temperaturaselevadas que se desarrollan en el corte.

La ranura o la muesca de desgaste en las herramientas de corte se hanatribuido a que esta región es la frontera donde la viruta ya no está en contactocon la herramienta. Esta frontera, llamada también línea de profundidad decorte, oscila, por las variaciones inherentes en la operación de corte, y acelera elproceso de desgaste.

Por ser duras y abrasivas, las cascarillas y capas de óxidos en una superficiede pieza aumentan el desgaste. En estos casos, la profundidad de corte debe sermayor que el espesor de la capa de óxido o de la capa endurecida por el trabajo.

13.4.5. Vigilancia del estado de la herramienta

Con el rápido aumento de las máquinas herramientas controladas por com-putadora y la implementación de manufactura automatizada, el desempeño fia-ble y repetible de las herramientas de corte se ha convertido en una consideraciónimportante. La mayor parte de las máquinas herramientas modernas, una vezbien programadas, trabajan con poca supervisión directa de un operador. Enconsecuencia, el fallo de una herramienta de corte puede tener graves efectos so-bre la calidad de las partes maquinadas, así como sobre la eficiencia y economíade la operación general de maquinado.

Por lo anterior, es esencial vigilar en forma continua e indirecta el estadode la herramienta para notar, por ejemplo, si hay desgaste, desportillamiento ofallo generalizado. En la mayor parte de las máquinas herramientas modernas seintegran sistemas de vigilancia del estado de herramientas en el control numéricocomputerizado y en los controles lógicos programables. Las técnicas para vigilarel estado de las herramientas suelen entrar en dos categorías generales: directase indirectas.

El método directo para observar el estado de una herramienta de corteimplica la medición óptica del desgaste, como en una observación periódica. Esla técnica más común y fiable, y se hace con un microscopio (microscopio deherramentista). Sin embargo, este procedimiento requiere parar la operación decorte.

Los métodos indirectos de medición del desgaste implican la correlacióndel estado de la herramienta con variables de proceso, como fuerzas, potencia,aumento de temperatura, acabado superficial y vibraciones. Un desarrollo im-portante es la técnica de emisión acústica, que usa un trasductor piezoeléctricofijo a un portaherramientas. El trasductor siente las emisiones acústicas (habi-tualmente, en torno a los 100 kHz) que se producen por las ondas de esfuerzogeneradas durante el corte. Al analizar las señales se puede vigilar el desgaste yel desportillamiento de la herramienta.

La técnica de emisión acústica es especialmente efectiva en operaciones de


maquinado de precisión en las que, por las pequeñas cantidades de materialeliminado, las fuerzas de corte son bajas. Una aplicación eficaz de la emisiónacústica es la detección de la fractura de pequeñas herramientas de carburo agrandes velocidades de corte.

Un sistema parecido de vigilancia indirecta del estado de la herramientaconsiste en trasductores instalados en las máquinas herramientas originales, oen máquinas ya existentes pero modificadas. Vigilan en forma continua los paresy las fuerzas durante el corte. Las señales se preamplifican y con microprocesadoranaliza e interpreta su contenido. El sistema es capaz de diferenciar las señalesque provienen de la rotura de herramientas, desgaste, falta de herramienta,sobrecarga de la máquina o choque entre las partes. El sistema también puedecompensar en forma automática el desgaste de la herramienta, mejorando laexactitud dimensional.

En las máquinas herramientas de control numérico por computadora demenor precio, la vigilancia se hace mediante el tiempo de ciclo de herramienta.En un ambiente de producción, una vez determinada la vida esperada de unaherramienta de corte o un inserto, se puede capturar en el control para quesea avisado el operador para cambiar la herramienta o el cortador cuando sellega a este tiempo. El proceso es bastante fiable, aunque no en su totalidad,por la variación estadística inherente a la vida de las herramientas; además, esbastante costoso.

13.5. Acabado e integridad de la superficie

El acabado superficial no sólo influye sobre la exactitud dimensional de laspartes maquinadas, sino también sobre sus propiedades. Mientras que el acabadosuperficial describe las características geométricas, la integridad superficial per-tenece a las propiedades, como la vida de fatiga y la resistencia a la corrosión,que están muy influidas por el tipo de superficie producida. Los factores queinfluyen sobre la integridad superficial son: las temperaturas generadas duranteel procesamiento; los esfuerzos residuales; las transformaciones metalúrgicas, yla deformación plástica, desgarramiento y agrietamiento superficiales.

El borde acumulado, con su gran efecto sobre el perfil de la punta de laherramienta, tiene la máxima influencia sobre el acabado superficial. El dañoacumulado se manifiesta por las marcas abrasivas que se desvían de los surcosrectos que produciría un maquinado normal. Se producen daños considerablesa las superficies debidos al borde acumulado. En general, las herramientas decerámica y de diamante producen mejor acabado superficial que las demás, prin-cipalmente debido a su tendencia mucho menor a formar un borde acumulado.

Una herramienta que no esté afilada posee un radio grande en su arista. Apequeñas profundidades de corte, el ángulo de ataque puede volverse de hechonegativo; entonces la herramienta «cabalga» sobre la pieza sin sacar viruta. Elfrotamiento de la herramienta sobre la pieza genera calor e induce esfuerzossuperficiales residuales que, a su vez, pueden causar daños superficiales, comorasgaduras y grietas. En consecuencia, la profundidad de corte debe ser, en

204 13.6. Procesos de maquinado para producir formas redondas

general, mayor que el radio de corte.

En el cilindrado, como en otras operaciones de corte, la herramienta dejaun perfil en espiral (marcas de avance) en la superficie maquinada, al recorrer lapieza. Se puede ver que cuanto mayor es el avance f , y cuanto menor es el radioR de nariz de la herramienta, estas marcas serán más prominentes. Aunque noimportan en operaciones de desbaste, sí importan en el maquinado de acabado.

Por último, si la herramienta vibra o traquetea durante el corte, afectaránegativamente al acabado superficial. La causa es que una herramienta en vibra-ción cambia en forma periódica las dimensiones del corte. Un traqueteo excesivotambién puede causar desportillamiento y fallo prematuro de las herramientasde corte más frágiles, como las de cerámica y diamante.

13.6. Procesos de maquinado para producir for-mas redondas

El término de tornear indica que la pieza está girando mientras se maquina.El material inicial suele ser una pieza fabricada por otros procesos, como fundi-ción, forjado, estirado o extrusión. Los procesos de torneado son muy versátiles.Se puede producir una gran variedad de formas mediante los siguientes procesos:

– Cilindrado, para producir piezas rectas, cónicas, curvas o ranuradas, comoejes, espigas y pernos.

– Refrenado, para producir una superficie plana en el extremo de una par-te, en partes que se fijan a otros componentes, o ranurar caras y formarasientos para sellos de anillo en «O».

– Uso de herramienta formadora para producir diversas formas con finesfuncionales o de apariencia.

– Mandrinado o perforado, para aumentar un orificio o cavidad cilíndricahecha con un proceso anterior, o para producir surcos internos circulares.

– Taladrado, para producir un orificio, que puede ser seguido de un mandri-nado, para mejorar su exactitud y acabado superficial.

– Tronzado, para cortar una pieza del extremo de una parte, como por ejem-plo en la producción de tejos o piezas brutas para procesamiento adicionalen la obtención de productos discretos.

– Roscado, para producir roscas externas o internas.

– Moleteado, para producir rugosidad en contornos regulares, sobre superfi-cies cilíndricas, como cuando se hacen perillas.

Estas operaciones de corte se suelen hacer en un torno, que hoy se consigueen una diversidad de diseños y con características de control por computadora.El cilindrado se puede hacer a varias velocidades de rotación, profundidades de


corte d y avance f de la pieza, dependiendo de los materiales de la pieza y laherramienta, del acabado superficial y de la exactitud dimensional requerida dela pieza y de las características del torno.

13.7. Parámetros del cilindrado

La mayor parte de las operaciones de cilindrado implican el uso de herra-mientas de corte monofilo (buriles o a base de inserto). Estas herramientas sedescriben con nomenclatura normalizada. Cada grupo de materiales de herra-mienta y pieza tiene un conjunto óptimo de ángulos de herramienta, que se hanestablecido principalmente por experiencia.

Geometría de la herramienta Los diversos ángulos en las herramientas decorte monofilo tienen funciones importantes en las operaciones de maquinado.Los ángulos de ataque son importantes para controlar la dirección de flujo devirutas y la resistencia de la punta de la herramienta. Los ángulos de ataquepositivo, como ya se mencionó, mejoran la operación de corte reduciendo lasfuerzas y las temperaturas; sin embargo, estos ángulos dan como resultado unángulo incluido pequeño en la punta de la herramienta. Dependiendo de latenacidad del material de la pieza, esto puede causar desportillamiento y falloprematuro de la pieza.

El ángulo de ataque lateral es más importante que el ángulo de ataqueposterior, aunque este último suele controlar la dirección del flujo de virutas. Losángulos de incidencia controlan la interferencia y el frotamiento en la interfazentre herramienta y pieza. Si el ángulo de desahogo es demasiado grande, lapunta de la herramienta se puede desportillar; si es demasiado pequeño, seráexcesivo el desgaste de flanco. Los ángulos de filo, o de borde cortante, afectan ala formación de viruta, la resistencia del buril y las fuerzas de corte en distintosgrados.

El radio de nariz afecta al acabado superficial y a la resistencia de la puntadel buril. Mientras menor sea el radio de nariz (herramienta aguzada), el acabadosuperficial de la pieza será más áspero, y la resistencia del buril será menor. Sinembargo, los radios grandes pueden provocar traqueteo.

Rapidez de remoción del material Es el volumen de material quitado porunidad de tiempo. Para cada revolución de la pieza se elimina una capa anularde material, con área transversal igual al producto de la distancia que recorrela herramienta en una revolución (avance f) por la profundidad de corte d.El volumen de este anillo es igual al producto del área transversal fd por lacircunferencia promedio del anillo, πDm, con Dm = De+Di

2. Para cortes ligeros

sobre piezas de gran diámetro, el diámetro promedio se puede reemplazar porDe, el diámetro externo.

La velocidad de rotación de la pieza es N , y la rapidez de remoción dematerial por revolución es πDmdf . Como son N revoluciones por minuto, esta

206 13.8. Tornos y operaciones en el torno

rapidez es:RRM = πDmdfN.

Como la distancia recorrida es l (en mm), el tiempo de corte será:

t =l

fN.

El tiempo de corte no incluye al necesario para acercar y retirar la herramienta.Como el tiempo transcurrido en ciclos sin corte en una operación de maquinadono es productivo y afecta en forma negativa a la economía en general, es impor-tante tener en cuenta el que se necesita para acercar y retirar las herramientashacia y de la pieza.

Fuerzas en el cilindrado Las fuerzas que actúan sobre las herramientas decorte son importantes en el diseño de máquinas herramientas, así como en laflexión de las piezas y de herramientas cuando las operaciones de maquinadoson de precisión.

La fuerza de corte, Fc, actúa hacia abajo sobre la punta de la herramientade corte y, por consiguiente, también tiende a flexionarla hacia abajo. Es lafuerza que suministra la energía necesaria para la operación de corte. La fuerzade empuje, Ft, actúa en dirección longitudinal. También se la llama fuerza deavance porque posee la dirección del avance. La fuerza radial, Fr, actúa endirección radial y tiende a alejar la herramienta de la pieza. Es difícil calcularlas fuerzas Ft y Fr, por los muchos factores que intervienen en el proceso decorte; en consecuencia, se determinan en forma experimental.

Cortes de desbaste y acabado En el maquinado, el procedimiento normal es:hacer uno o más cortes de desbaste con grandes avances y grandes profundidadesde corte (y, por tanto, grandes tasas de remoción de metal, sin importar muchola tolerancia dimensional y la aspereza de la superficie); y continuar con uncorte de acabado con menor avance y profundidad de corte para obtener unbuen acabado superficial.

Fluidos de corte Aunque se pueden maquinar muchos materiales metálicos yno metálicos sin fluido de corte (maquinado en seco), en muchos casos se puedemejorar la operación si se aplica un fluido de corte.

13.8. Tornos y operaciones en el torno

En general, se considera que los tornos son las máquinas herramientas másantiguas. Aunque se desarrollaron tornos para madera en torno al año 1000 a.C,los tornos para metal con avance de sinfín no se construyeron sino hasta finalesdel siglo xviii. El torno más común se llamó originalmente torno de motorporque era impulsado por poleas y bandas por encima, accionadas por motorescercanos. Hoy en día, estos tornos tienen sus motores eléctricos individuales.


Aunque es sencillo y versátil, un torno común requiere de un tornero hábil,porque todos los controles se manipulan a mano. En consecuencia, es ineficienteen operaciones repetitivas y para grandes producciones.

13.8.1. Componentes de los tornos

Los tornos poseen una gran diversidad de componentes y accesorios. Loscomponentes básicos de un torno común son:

– Bancada. La bancada sostiene todos los componentes principales del tor-no. Las bancadas tienen masas grandes y son de construcción rígida, porlo general de hierro colado gris o nodular. La parte superior de la bancadaposee dos guías o correderas con diversas secciones transversales, endure-cidas y maquinadas para que tengan resistencia al desgaste y exactituddimensional durante su uso.

– Carro. El carro longitudinal, o conjunto del carro, se desliza por las co-rrederas y está formado por un conjunto de corredera transversal, por elportaherramienta y el tablero. La herramienta de corte se monta en elportaherramienta, normalmente con un apoyo compuesto que gira paraposicionar y ajustar la herramienta. El carro universal se mueve haciaadentro y afuera, radialmente, controlando la posición radial de la herra-mienta en operaciones como refrentado. El tablero tiene mecanismos paramovimiento, tanto manual como mecanizado, del carro longitudinal y deltransversal, mediante tornillos de avance.

– Cabezal. El cabezal está fijo en la bancada y posee motores, poleas y ban-das que suministran potencia al husillo a varias velocidades de giro. Lasvelocidades se pueden establecer mediante selectores de control manual.La mayor parte de los cabezales poseen un conjunto de engranajes y al-gunos tienen varios reductores para permitir una variación continua develocidades en el husillo Los cabezales tienen un husillo hueco al que sefijan dispositivos de sujeción de la pieza, como mandriles y boquillas, y sepueden manejar barras o tubos largos en diversas operaciones de torneado.

– Carro de contrapunto. El carro de contrapunto puede deslizarse por lascorrederas y se puede sujetar en cualquier posición. Sostiene el otro ex-tremo de la pieza. Tiene un contrapunto que se puede fijar (contrapuntofijo) o puede girar junto con la pieza (contrapunto vivo). En la boquilladel contrapunto (una parte cilíndrica hueca con orificio cónico) se puedenmontar brocas y rimas para taladrar orificios axiales en la pieza.

– Barra de avance y tornillo guía. La barra de avance es accionada por unconjunto de engranajes en el cabezal. Gira durante el funcionamiento deltorno y pasa el movimiento al carro longitudinal y al carro transversalmediante engranajes, un embrague de fricción y un cuñero que lo recorreen su longitud. Al cerrar una tuerca dividida que rodea al tornillo guía,lo acopla con el carro longitudinal; también se usa para cortar roscas conexactitud.


13.8.2. Especificaciones de un torno

Los tornos se suelen especificar por: su volteo —i.e., el diámetro máximode la pieza que se puede maquinar—; la distancia máxima entre el cabezal y elcontrapunto; y la longitud de la bancada. Por ejemplo, un torno puede tener elsiguiente tamaño: 3600 mm de volteo por 760 mm entre centros por 1830 mmde bancada. Se consiguen tornos en una diversidad de estilos, construcción ypotencia.

Los tornos de banco se instalan en un banco de mecánico; tienen baja po-tencia y suelen funcionar con avance normal; se usan para maquinar pequeñaspiezas con precisión. Los tornos de taller tienen gran precisión, lo que permitemaquinar piezas a tolerancias estrechas. Los tornos de motor se consiguen enuna gran variedad de tamaños y se emplean para diversas operaciones; por úl-timo, en los tornos al aire o bipartidos, se quita una parte de la bancada, frenteal cabezal fijo, para manejar piezas de diámetros grandes.

Los tornos especiales se usan en aplicaciones como en ruedas de ferrocarril,cañones y rodillos de laminadora, con piezas de hasta 1,7 m de diámetro por8 m de longitud, y con capacidades hasta de 450 kW. El costo de los tornosde motor va desde unos 2000 dólares para los de banco hasta más de 100000dólares para las unidades mayores.

Las velocidades máximas de husillo suelen ser de 2000 rpm, aunque puedenser sólo de 200 rpm para tornos grandes. En aplicaciones especiales, las veloci-dades pueden ir de 4000 a 10000 rpm, o hasta 40000 rpm en el maquinado dealta velocidad.

13.8.3. Dispositivos y accesorios para sujetar piezas

Los dispositivos de sujeción de pieza tienen especial importancia en lasmáquinas herramientas y en las operaciones de maquinado. En un torno, unextremo de la pieza se sujeta al husillo con una boquilla, plato de arrastre omandril.

Un mandril se suele equipar con cuatro mordazas de sujeción. Los mandri-les de tres mordazas o universales poseen en general un diseño de espiral conengranajes que los hace autocentrantes; se usan con piezas redondas, como porejemplo perfiles de barra y tubos, que se pueden centrar con 0,025 mm de pre-cisión. Los mandriles de cuatro mordazas (independientes) tienen mordazas quese pueden mover y ajustar en forma independiente entre sí; pueden usarse paramanejar piezas cuadradas, rectangulares o de formas diversas. Como son másrobustos que los de tres mordazas, se usan para piezas pesadas, o para trabajosdonde se requieren varias posiciones, donde la concentricidad es importante.

En algunos mandriles, se pueden invertir las mordazas para permitir sujetarpiezas desde sus superficies externas o desde sus superficies internas, cuando sonhuecas, en piezas como tubos. También se consiguen mordazas de acero al bajocarbono (mordazas suaves) que se pueden maquinar en formas deseadas; por su


baja resistencia y dureza, se apegan a pequeñas irregularidades en las piezas, yen consecuencia producen mejor sujeción.

Los mandriles pueden ser motorizados o de accionamiento manual, conuna llave de mordazas. Como se tardan más en funcionar, los mandriles deaccionamiento manual se usan en general sólo en talleres y para pequeñas seriesde producción. Las mordazas se consiguen en varios diseños y tamaños. Suselección depende del tipo y rapidez de la operación, del tamaño de la pieza,de los requisitos de producción y exactitud, y de las fuerzas necesarias en lasmordazas.

Si controla la magnitud de las fuerzas en las mordazas, un operador puedeasegurar que la pieza no se deslice en el mandril al maquinarla. Las grandesvelocidades de husillo pueden reducir bastante las fuerzas de sujeción en lasmordazas, por el efecto de las fuerzas centrífugas; este efecto posee importanciaespecial en el torneado de tubos de precisión. Los mecanismos modernos deaccionamiento de mordazas permiten tener mayores fuerzas de sujeción para eldesbaste y menor para las operaciones de acabado.

Para satisfacer las crecientes demandas de rigidez, precisión, versatilidad,potencia y altas velocidades de corte en las máquinas herramientas modernas,se han hecho grandes avances en el diseño de los dispositivos de sujeción depiezas. Los platos o sistemas de sujeción motorizados, de acción neumática ohidráulica, se usan en equipo automático para grandes tasas de producción;incluyen la carga de las piezas con robots industriales. También se consiguenvarias clases de platos de sujeción motorizados con mecanismos de palanca o decuña, para accionar las mordazas; estos platos de sujeción tienen movimientos(carreras) de mordaza que suelen limitarse a unos 13 mm.

Una boquilla es básicamente un buje cónico partido longitudinalmente. Lapieza, que en general tiene un diámetro máximo de 1 pulgada, se coloca dentrode la boquilla, y ésta se estira (boquilla de tracción) o se empuja (boquillade empuje), de o hacia el husillo, en forma mecánica. Las superficies cónicasconcentran radialmente los segmentos de la boquilla y aprietan la pieza. Se usanboquillas para piezas redondas y de otras formas (por ejemplo, piezas cuadradaso hexagonales) y se consiguen una gran variedad de tamaños crecientes.

Una de las ventajas de usar boquillas y no un mandril de tres o cuatromordazas es que la boquilla sujeta casi toda la circunferencia de la parte, porlo que es muy adecuada para partes con pequeñas áreas transversales. Debidoa que movimiento radial de los segmentos de la boquilla es pequeño, las piezasdeben tener una aproximación de 0,125 mm de aquélla.

Los platos de arrastre son para sujetar piezas de forma irregular. Son re-dondos y poseen varias ranuras y orificios, a través de los cuales se atornilla oprensa la pieza.

Los mandriles de centro se colocan dentro de piezas huecas o tubulares, yson para sujetarlas cuando se requiere maquinarlas en ambos extremos o en sussuperficies cilíndricas. Algunos mandriles de centro se montan entre los puntosdel torno.


Accesorios Se dispone de varios dispositivos y accesorios para tornos. Entreellos están los siguientes:

– Topes de carro y de carro transversal, de varios diseños, para detener alcarro en un punto predeterminado de aquella.

– Dispositivos para cilindrar piezas con distintas conicidades o radios.

– Aditamentos para fresar, aserrar, maquinar engranajes y rectificar.

– Diversos accesorios para mandrinar, taladrar y roscar.

13.8.4. Operaciones en el torno

En una operación normal de cilindrado, la pieza se sujeta con alguno de losdispositivos descritos hasta aquí. Las partes largas y esbeltas deben soportarsecon una luneta fija y una luneta móvil colocada en la bancada; si no se haceesto, la parte se flexionará debido a las fuerzas de corte. Estas lunetas suelenestar equipadas con tres dedos o rodillos ajustables, que sostienen a la piezapero la dejan girar libremente. Las lunetas fijas se sujetan en forma directa alas guías de la bancada, mientras que las lunetas móviles se sujetan en el carrolongitudinal y se mueven con él.

La herramienta de corte, fija al portaherramientas —que a su vez es im-pulsado por el tornillo guía— quita el material al recorrer la bancada. Una he-rramienta derecha viaja hacia el cabezal, y una herramienta izquierda se muevehacia el contrapunto.

Las herramientas formadoras son para producir diversos contornos en pie-zas redondas por cilindrado. La herramienta se mueve en sentido radial, haciadentro, para maquinar la parte. El maquinado con corte de forma no es adecua-do para ranuras profundas y angostas ni para aristas agudas, que pueden causarvibración y ocasionar un mal acabado de la superficie.

En un torno se efectúan también algunas otras operaciones. La operaciónde perforado o mandrinado en un torno se parece a la de cilindrado. El man-drinado se hace en el interior de piezas huecas, o en un orificio hecho antes portaladrado u otros métodos. Los orificios de forma inadecuada se pueden corregirpor mandrinado. La pieza se sujeta en un plato de sujeción o por cualquier otrométodo.

El taladrado se puede hacer en un torno montando la broca en un broquero,en la boquilla del contrapunto (un eje tubular). La pieza se pone en un sujetadoren el cabezal y la broca se hace avanzar girando la manivela. Puede ser quelos orificios taladrados en esa forma no sean concéntricos, por la tendencia quetiene la broca a desplazarse radialmente. La concentricidad del orificio se mejoradespués mandrinando el orificio taladrado. Los orificios taladrados se puedenescariar o rimar en tornos, en forma parecida al taladrado, mejorando así lastolerancias del orificio.


Las herramientas para tronzar, ranurar, maquinar roscas u otras operacio-nes tienen formas especiales para sus destinos particulares, o se consiguen comoinsertos. El moleteado se hace en un torno con rodillos endurecidos en los quela superficie es un réplica del perfil que se va a generar. Estos rodillos se com-primen radialmente contra la pieza que gira, mientras la herramienta se mueveen dirección axial, a lo largo de la parte.

13.8.5. Tornos copiadores

Los tornos copiadores son máquinas herramientas con accesorios, capacesde tornear partes de diversos contornos. También se denominan tornos duplica-dores o tornos de contornear. La herramienta de corte sigue una trayectoria queduplica el contorno de una plantilla. Las operaciones hechas con un torno copia-dor se han reemplazado en su mayor parte con los tornos de control numérico ylos centros de torneado.

13.8.6. Tornos automáticos

A través de los años se han automatizado los tornos cada vez más. Loscontroles manuales de las máquinas se han sustituido con diversos mecanismosque permiten que las operaciones de corte se apeguen a un orden preestablecido.En una máquina totalmente automática, se alimentan y se quitan las partestambién en forma automática, mientras que en las máquinas semiautomáticasesas funciones las hace el operador.

Los tornos automáticos, que pueden tener husillo horizontal o vertical y notienen contrapuntos, se llaman también tornos automáticos al aire. Son paramaquinar piezas individuales de formas regulares o irregulares, y se consiguenen tipos de uno o varios husillos. En otra clase de tornos automáticos, la barrase alimenta de forma periódica al torno, y una parte se maquina y se corta en elextremo de la barra. Los tornos automáticos son adecuados para produccionesmedianas o grandes.

13.8.7. Máquinas automáticas para barras

Antes se denominaban máquinas roscadoras automáticas ; estas máquinasestán diseñadas para producir tornillos y piezas roscadas en grandes cantidades.Como pueden producir además otros componentes, hoy se denominan máquinasautomáticas para barras.

En estas máquinas, todas las operaciones se efectúan en forma automática,y las herramientas se fijan en un revólver especial. Después de haber maquinadocada tornillo o parte a sus dimensiones finales, el perfil de barra avanza enforma automática y se corta. Las máquinas pueden tener uno o varios husillos.Las capacidades para barra redonda van de 3 a 150 mm de diámetro.

Las máquinas automáticas de barra con un husillo se parecen a los tornos


de revólver, y tienen varios mecanismos accionados por levas. Hay dos tipos deestas máquinas: en las máquinas automáticas tipo suizo, la superficie cilíndricade la varilla es maquinada por una serie de herramientas que se mueven en elsentido radial y en el mismo plano, hacia la pieza. La barra se sujeta cerca delhusillo principal, con lo cual se reducen al mínimo las deflexiones.

La otra máquina de un husillo (llamada tipo americano) se parece a unpequeño torno revólver. El revólver está en el plano vertical, y todos los movi-mientos de los componentes de la máquina son controlados por levas.

Las máquinas automáticas de barra de husillos múltiples tienen entre cuatroy ocho husillos dispuestos en un círculo, en un tambor grande, y cada uno tieneuna pieza. Las herramientas de corte se disponen en varias posiciones en lamáquina y se mueven en direcciones axiales y radiales a la vez. Cada partese maquina en etapas, al moverse de una estación a la siguiente. Como todaslas operaciones se hacen en forma simultánea, se reduce el tiempo de ciclo demaquinado por pieza.

13.8.8. Tornos de revólver

Los tornos (de) revólver son capaces de efectuar muchas operaciones decorte, como cilindrado, mandrinado, taladrado, roscado y refrentado en la mismapieza. Se montan varias herramientas de corte (por lo general hasta seis) en elrevólver principal, que gira para efectuar cada operación de corte.

El torno suele tener un revólver cuadrado en el carro transversal hasta concuatro buriles montados en él. La pieza, que en general es una varilla largay redonda, se hace avanzar una distancia preestablecida por el plato. Despuésde maquinada la pieza, es tronzada mediante una herramienta montada en elrevólver cuadrado, que se mueve en dirección radial penetrando en la pieza. Acontinuación, la varilla avanza la misma distancia preestablecida, hacia el áreade trabajo, y se maquina la siguiente parte.

Los tornos revólver (tipo de barra o mandril) son versátiles y se puedenhacer las operaciones ya sea a mano, usando una manivela (rueda de trinquete)o en forma automática. Una vez que un programador lo alista bien, esta máquinano requiere operadores muy diestros. Uno de los tornos revólver más empleadoses el tipo ariete, en el que un ariete se desliza en una base separada, sobre elpuente. La carrera corta del ariete del revólver limita esta máquina a procesarpiezas relativamente cortas y cortes ligeros, en producción a pequeña y medianaescala.

En otro estilo, llamado tipo puente, el revólver principal se instala en formadirecta sobre el puente, que se desliza directamente sobre la bancada. La longitudde la carrera sólo está limitada por la longitud de la bancada. Este tipo detorno tiene construcción más robusta y se usa para maquinar piezas grandes.Por el gran peso de los componentes, las operaciones en el torno tipo puente sonmás lentas que el tipo ariete. También hay tornos revólver verticales; son másadecuados para piezas cortas y pesadas, con diámetros de hasta 1,2 m.


13.8.9. Tornos controlados por computadora

En los tornos más avanzados, el movimiento y el control de la máquinay sus partes se produce mediante controles numéricos computerizados. Estostornos suelen tener uno o más revólveres. Cada uno posee diversas herramientasy ejecuta varias operaciones en superficies distintas de la pieza.

Estas máquinas están muy automatizadas, las operaciones son repetitivasy mantienen la exactitud dimensional pretendida; se requiere además mano deobra menos capacitada (después de haber preparado la máquina). Son adecuadaspara producción en pequeña y mediana escalas.

13.8.10. Posibilidades del proceso de torneado

Las velocidades de producción relativas en torneado, así como en otras ope-raciones de corte, poseen una gran influencia sobre la productividad en las ope-raciones de maquinado. Hay grandes diferencias de velocidad de producciónentre los distintos procesos; éstas no se deben sólo a las características inheren-tes al proceso y as herramientas, sino también a otros factores, como tiemposde preparación y tamaño de las piezas.

El acabado superficial y la exactitud dimensional que se obtienen en elcilindrado y operaciones afines dependen de factores como las características yel estado de la máquina herramienta, la rigidez, la vibración y el traqueteo, losparámetros de proceso, la geometría y el desgaste de la herramienta, el empleo defluidos de corte, la facilidad de maquinado del material de la pieza y la destrezadel operador.

13.8.11. Consideraciones de diseño para operaciones de con-formado

Son importantes ciertas consideraciones en el diseño de piezas que se debanfabricar económicamente mediante operaciones de torneado. Como el maquina-do, en general, puede consumir bastante tiempo aumentando el costo de produc-ción, desperdicia material y no es tan económico como el moldeado de partes,se debe evitar hasta donde sea posible. Cuando sean necesarias operaciones detorneado, deben usarse los siguientes lineamientos generales de diseño:

– Las piezas se deben diseñar de tal modo que se puedan soportar y suje-tar en los aditamentos correspondientes con relativa facilidad. Las piezasdelgadas y esbeltas son difíciles de sujetar bien para resistir las fuerzas desujeción y de corte.

– La exactitud dimensional y el acabado superficial que se especifiquen de-ben ser lo más amplios que sea posible para que la parte funcione de formacorrecta.


– Se deben evitar aristas agudas, conos y grandes variaciones en dimensionesde la parte.

– Las piezas brutas por maquinar deben tener dimensiones tan aproximadasa las finales como sea posible (formadas a forma casi neta) para reducir eltiempo del ciclo de producción.

– Las piezas se deben diseñar de tal manera que las herramientas de cortepuedan desplazarse por la pieza sin obstrucción.

– Las propiedades del diseño deben ser tales que se puedan usar herramientasde corte, insertos y sujetadores normales y disponibles en el mercado.

– Los materiales deben seleccionarse, hasta donde sea posible, en base a sufacilidad de maquinado.

13.8.12. Lineamientos para operaciones de torneado

Además de las diversas recomendaciones acerca de las herramientas y pa-rámetros de proceso que hemos descrito hasta ahora, un factor importante es lapresencia de vibración y traqueteo. La vibración durante el corte puede causarmal acabado superficial, mala exactitud dimensional y desgaste y fallo prema-turos de la herramienta. A causa de la complejidad que implica el torneado,alguno de los lineamientos deben implementarse por tanteo:

– Minimizar lo sobresalido de la herramienta.

– Soportar en forma rígida la pieza.

– Usar máquinas herramientas de gran rigidez y gran capacidad de amorti-guamiento.

– Cuando las herramientas comiencen a vibrar y a traquetear, modificar unoo más de los parámetros del proceso, como por ejemplo la geometría dela herramienta, velocidad de corte, avance, profundidad de corte o empleode fluido de corte.

13.8.13. Sistemas de recolección de viruta

Las virutas que se producen durante el maquinado se deben recolectar yeliminar en forma correcta. El volumen de virutas puede ser muy alto, en especialen operaciones de alta velocidad y alta tasa de remoción.

A veces, se le llama administración de viruta al proceso que implica recolec-tar las virutas de sus fuentes en las máquinas herramientas en forma eficiente, ysacarlas del área de trabajo. Las virutas largas y filamentosas son más difícilesde recolectar que las cortas (uso de los aditamentos rompedores de viruta en lasherramientas de corte). En consecuencia, el tipo de viruta producida (control deviruta) es un aspecto integral del sistema de recolección.


Las virutas se pueden recolectar con cualquiera de los métodos siguien-tes: dejar que la gravedad las haga caer sobre una banda transportadora deacero; barrer las virutas de un tanque de asentamiento; con sondas de gusanode alimentador, parecidas a las de los picadores de carne; con transportadoresmagnéticos (para virutas ferrosas); con instalaciones de vacío para eliminación.

Las máquinas herramientas modernas se diseñan con aditamentos para ma-nejo de viruta. Se debe hacer notar que puede haber una cantidad importantede fluido de corte mezclado y adherido a las virutas producidas, por lo que esimportante su drenaje o filtración adecuados. El fluido y el lodo se pueden eli-minar con exprimidores de viruta (centrífugos). Los sistemas de procesamientode viruta suelen requerir bastante espacio de piso, y pueden costar desde 60000dólares para talleres pequeños hasta más de un millón de dólares para virutasgrandes.

Las virutas recolectadas se pueden reciclar o desechar (siempre que no con-tengan componentes ni fluidos peligrosos. Antes de sacarlas de una planta ma-nufacturera, su gran volumen se puede reducir hasta la quinta parte por com-pactación para formar briquetas, o por desintegración.

Las virutas secas son más valiosas en el reciclado, por la reducida conta-minación ambiental. El método final de eliminación de viruta depende de laeconomía y del apego a los reglamentos locales, estatales y federales. La ten-dencia es reciclar toda la viruta, al igual que los fluidos de corte usados y ellodo.

13.9. El mandrinado y la mandrinadora

Si se hace en un torno, el mandrinado o perforado produce perfiles internoscirculares en piezas huecas, o en un orificio hecho por taladrado u otro proceso.El mandrinado se hace con herramientas de corte parecidas a las que se usanen el torneado. Como la barra de mandrinar debe llegar a toda la longitud delbarreno, la flexión de la herramienta y, en consecuencia, la conservación de laexactitud dimensional, puede ser un problema importante.

La barra de mandrinar debe tener la rigidez suficiente, i.e., debe estar hechade un material de alto módulo de elasticidad, como el carburo de tungsteno, paraminimizar la flexión y evitar vibración y traqueteo. Se han diseñado barras demandrinar con propiedades amortiguadoras de vibración.

Aunque las operaciones de perforado en piezas relativamente pequeñas sepueden hacer en un torno, para piezas grandes se emplean mandrinadoras. Estasmáquinas pueden ser verticales u horizontales, y son capaces de operacionescomo cilindrado, refrentado, ranurado y biselado. Una mandrinadora vertical separece a un torno, pero el eje de rotación de la pieza es vertical.

La herramienta de corte, que por lo general es de un solo filo, hecha de acerorápido M2 y M3 y carburo C-7 y C-8, se monta en el portaherramientas, conmovimientos verticales (para perforar y tornear) y movimientos radiales (para

216 13.10. Taladrado y brocas

refrentar), guiada por el riel transversal. Este cabezal se puede inclinar paraproducir superficies cónicas.

En las mandrinadoras horizontales, la pieza se monta en una mesa que sepuede mover en sentido horizontal en las direcciones axial y radial. La herra-mienta de corte se monta en un husillo que gira en el cabezal, que a su vezpuede moverse en sentidos vertical y longitudinal. También se pueden montaren el husillo de la máquina brocas, escariadores, machuelos y fresas.

Las mandrinadoras se consiguen con diversas características. Aunque losdiámetros de pieza son en general de 1 a 4 m, se pueden maquinar piezas dehasta 20 m en mandrinadoras verticales. Las capacidades de las máquinas lle-gan hasta 150 kW. Estas máquinas también se venden con controles numéricoscomputerizados con los que se pueden programar todos los movimientos. Conesos controles, se requiere poca intervención del operador y se mejora mucho laproductividad.

Las máquinas perforadoras verticales son mandrinadoras verticales con co-jinetes de gran precisión. Aunque se consiguen en varios tamaños y se usan enlos almacenes de herramienta para fabricar plantillas y soportes, hoy se estánreemplazando por máquinas más versátiles de control numérico.

Aspectos de diseño del mandrinado Los lineamientos para las operacioneseficientes y económicas de perforado o mandrinado se parecen a los del torneado.Además, se deben tener en cuenta los siguientes factores:

– Siempre que sea posible, se deben especificar orificios pasantes y no ciegos.

– Cuanto menor sea la relación de longitud a diámetro del orificio, másdifícil es mantener las dimensiones exactas, por las deflexiones de la barrade mandrinado, debidas a las fuerzas de corte.

– Se deben evitar las superficies internas interrumpidas.

13.10. Taladrado y brocas

En general, los orificios se usan para ensamblar con sujetadores tales comopernos, tornillos o remaches, o para tener acceso al interior de una pieza. Elmaquinado de orificios es una de las operaciones más importantes en la ma-nufactura. En la producción de motores de automóvil, el costo del maquinadode orificios es uno de los mayores en el maquinado. El taladrado es uno de losprocesos más importantes y más comunes de maquinado de orificios; entre otrosprocesos para producir orificios está el punzonado o troquelado y otros másavanzados de maquinado.


13.10.1. Brocas

Debido a que las brocas suelen tener una relación grande de longitud a diá-metro, son capaces de producir orificios relativamente profundos. Sin embargo,son algo flexibles, dependiendo de su diámetro, y se deben usar con cuidadopara taladrar orificios con exactitud y evitar que se rompa la broca. Además,hay que remover las virutas que se producen dentro de la pieza, moviéndolasen dirección opuesta al movimiento axial de la broca. En consecuencia, en eltaladrado pueden presentarse grandes dificultades para retirar las virutas, asícomo la eficacia de los fluidos de corte.

En general, los diámetros de orificio que produce el taladrado son un pocomayores que el diámetro de la broca (sobretamaño) y se puede notar, obser-vándola, que se puede sacar con facilidad una broca del orificio que acaba deproducir. La cantidad de sobretamaño depende de la calidad de la broca y delequipo usado, así como de los métodos empleados.

Broca helicoidal Las brocas más comunes son del tipo convencional helicoidalcon punta cónica, cuyas propiedades principales son el ángulo de punta, el án-gulo de gavilanes, el ángulo de punto muerto o arista y el ángulo de hélice. Lageometría de la boca o punta de la broca es tal que el ángulo de ataque normaly la velocidad del filo varían con la distancia al centro de la broca.

En general, dos ranuras helicoidales (canales) van por la longitud de labroca, y las virutas producidas son conducidas hacia arriba por estos canales.Además, los canales funcionan como pasos para que el fluido de corte puedallegar a los filos. Algunos taladros tienen orificios longitudinales internos, a travésde los cuales se hacen pasar los fluidos de corte, mejorando la lubricación y elenfriamiento, y también lavan y retiran las virutas.

Se consiguen brocas con aditamento rompevirutas, tallado en los filos. Estafunción es importante en el taladrado con maquinaria automática, donde esnecesaria la eliminación de virutas largas sin que intervenga el operador.

Geometrías de punta de broca Unos cambios pequeños en la geometría dela broca pueden tener grandes efectos en la eficiencia de ésta, en especial enla región del punto muerto o arista, que consume un cincuenta por ciento dela fuerza de empuje en el taladrado. Por ejemplo, si el ángulo de gavilanes espequeño, aumenta la fuerza de empuje, se genera demasiado calor y aumentael desgaste. A la inversa, si ese ángulo es demasiado grande, puede causar eldesportillamiento o la rotura del filo de corte. En consecuencia, además de lasbrocas convencionales, se han desarrollado otras muchas geometrías de puntade broca para mejorar el funcionamiento y aumentar la rapidez de penetraciónde la broca. Para producir estas geometrías se usan técnicas y equipo especialesde rectificado.

Otras clases de brocas Una broca escalonada produce orificios de dos o másdiámetros distintos. Una broca de sondeo es para agrandar un orificio existen-


te. Las brocas de abocardar y de avellanar producen depresiones o cajas en lasuperficie, para acomodar cabezas de tornillos y pernos. Una broca de centro escorta y se usa para producir un orificio en el extremo de una pieza, para podermontarla entre los puntos de un torno. Una broca piloto se usa para iniciar unorificio en el lugar deseado de una superficie.

Las brocas de pala tienen puntas o buriles desmontables, y se usan paraproducir orificios grandes y profundos. Tienen las ventajas de mayor rigidez(por falta de canales en el cuerpo), facilidad de afilado de las aristas de corte ymenor coste. Las brocas de punta de cigüeñal tienen buena facilidad de centradoy, como las virutas tienden a romperse con facilidad, estas brocas son adecuadaspara producir orificios profundos.

Taladrado de cañones Desarrollado en sus inicios para taladrar cañones, estaoperación tiene por objeto taladrar orificios profundos, y emplea brocas especia-les. Las relaciones de profundidad a diámetro de los orificios obtenidos puedenser de 300 a 1 o mayores. La fuerza de empuje (fuerza radial que tiende a empu-jar la broca hacia un lado) se equilibra mediante bases de soporte en la broca,que se deslizan por la superficie interna del orificio. En consecuencia, una brocade cañón es autocentrante, propiedad importante cuando se taladran orificiosrectos y profundos.

Las velocidades de corte en el taladrado de cañones suelen ser altas, y losavances bajos. El fluido de corte se hace pasar a alta presión por un orificiolongitudinal en el cuerpo de la broca. Además de lubricar y enfriar, el fluido decorte también lava y retira las virutas que se quedarían atrapadas en el orificioprofundo que se taladra, interfiriendo con la operación. No es necesario retirarla herramienta para retirar las virutas.

Trepanado En el trepanado, la herramienta de corte produce un orificio alquitar una pieza (núcleo) en forma de disco, por lo general en placas planas. Seproduce un orificio sin reducir a virutas todo el material que se va a quitar, comose hace en el taladrado. El proceso de trepanado se puede usar para fabricardiscos de hasta 150 mm de diámetro con placa o lámina plana.

Se puede hacer trepanado en tornos, taladros verticales u otras máquinas,con herramientas de una o varias puntas. Una variación del trepanado es eltrepanado de cañón, donde se usa una herramienta de corte parecida a unabroca de cañón, excepto que esa herramienta tiene un orificio central.

13.10.2. Rapidez de remoción de material

La rapidez de remoción de material en el taladrado es el volumen de mate-rial sacado por la broca por unidad de tiempo. Para una broca con diámetro D,el área transversal del orificio taladrado es πD2

4. La velocidad de la broca, per-

pendicular a la pieza, es el producto del avance f por la velocidad de rotación,


N , siendo N = VπD

. Así,

RRM =πD2

4fN.

13.10.3. Fuerza de empuje y par de torsión

La fuerza de empuje en el taladrado tiene dirección perpendicular al eje delorificio; si esta fuerza es excesiva puede hacer que la broca se doble o rompa.Una fuerza excesiva de empuje también puede distorsionar la pieza, en especialsi no tiene la rigidez suficiente (por ejemplo, si es una estructura de metal enláminas delgadas), o puede hacer que la pieza se deslice en su soporte.

Las fuerzas de empuje van desde algunos newton con brocas pequeñas hasta100 kN cuando se taladran materiales de gran resistencia con brocas grandes.De igual manera, el par de taladrado puede llegar hasta 4000 N · m.

Es esencial conocer la magnitud del par de torsión en el taladrado paraestimar la potencia requerida. Un par muy grande puede torcer la pieza o hacerque se deslice en su soporte. Es difícil calcular el par durante el taladrado.

13.10.4. Materiales y tamaños de brocas

Las brocas se suelen fabricar con aceros rápidos (M1, M7 y M10), y muchasse recubren hoy con nitruro de titanio para tener mayor resistencia al desgaste.Se consiguen brocas con puntas de carburo o de carburo macizo para hierroscolados, aceros, metales duros en alta temperatura y materiales abrasivos, comohormigón y ladrillos, así como materiales compuestos con refuerzos de fibrasabrasivas, como las de vidrio y grafito.

Hoy es común el uso de brocas recubiertas de diamante policristalino, pa-ra producir orificios para tornillos en plásticos reforzados, como epóxicos congrafito. Por su alta resistencia al desgaste, se pueden taladrar varios miles deorificios con pocos daños al material.

13.10.5. Práctica del taladrado

Las brocas y las herramientas para hacer orificios se suelen sujetar en broque-ros o mordazas para brocas que se puedan apretar con o sin llaves. Se consiguenbroqueros y boquillas especiales con diversas funciones de cambio rápido, queno requieren parar el husillo, para usarlos en maquinaria de producción.

Como una broca no tiene acción centrante, tiende a «caminar» sobre lasuperficie de la pieza al comenzar la operación. Este problema es especialmentegrave en las brocas de tamaño pequeño. Para iniciar bien un orificio se debeguiar a la broca, con soportes (como por ejemplo un buje) que eviten que sedesplace hacia los lados.


Se puede hacer un orificio pequeño inicial con una broca de centro (normal-mente con ángulo de 60◦ en la punta), o se puede esmerilar la punta de la brocapara obtener una forma de S (punta en espiral o helicoidal). Esta característi-ca autocentrante elimina la necesidad del taladrado de centro, produce orificiosexactos y mejora la vida de la broca. Estos factores son de especial importanciaen la producción automatizada, con máquinas de control numérico, en donde loque se acostumbra es a usar una broca piloto con ángulo de 118◦ en la punta.La broca «camina» menos cuando se igualan los ángulos de punta de la brocapiloto y la broca que se vaya a usar.

Por su movimiento giratorio, el taladrado produce orificios con paredes quetienen marcas circulares; en contraste, los orificios troquelados o punzonadostienen marcas longitudinales. Esta diferencia es importante en lo que respectaa las propiedades de fatiga del orificio.

Recomendaciones para el taladrado Existen una serie de límites recomenda-dos para velocidades y avances en el taladrado. La velocidad es la velocidadsuperficial de la broca en su periferia. Cuando se taladran orificios menores de1 mm de diámetro, las velocidades de rotación pueden subir hasta 30000 rpm,dependiendo del material de la pieza.

El avance en el taladrado es la distancia que recorre la broca por revolu-ción, al penetrar en el material de la pieza. La eliminación de viruta duranteel taladrado se puede dificultar, en especial en orificios profundos y en mate-riales suaves y dúctiles. La broca se debe retirar en forma periódica para sacarlas virutas que se hayan acumulado en sus surcos; de otro modo puede rom-perse debido al par de torsión excesivo, o puede «caminar» y salirse del lugar,produciendo un orificio mal hecho.

Reacondicionamiento de brocas Las brocas se reacondicionan esmerilándolas,ya sea en forma manual o con soportes especiales. Es importante el reacondicio-namiento adecuado, en especial en la manufactura automatizada con máquinasde control numérico por computadora. Las brocas recubiertas con nitruro detungsteno se pueden volver a recubrir.

13.10.6. Medición de la vida de las brocas

Es importante afilar o cambiar las brocas desafiladas, en especial si la pro-ducción está automatizada. El uso de brocas desafiladas aumenta las fuerzas y lapotencia, causa daños en la superficie y produce orificios faltos de exactitud. Lavida de las brocas, al igual que la de los machuelos, se suele medir en cantidadde orificios taladrados antes de desafilarse.

El procedimiento de prueba consiste en sujetar un bloque de material sobreun dinamómetro adecuado, o trasductor de fuerza, y taladrar varios orificios,anotando al mismo tiempo el par de torsión o la fuerza durante cada operación.Después de haber taladrado varios orificios, comienzan a aumentar el par detorsión y la fuerza, porque la herramienta se está desafilando.


La vida de la broca se define como la cantidad de orificios taladrados hastaque comienza esta transición. También se pueden usar otras técnicas, como porejemplo vigilar la vibración y las emisiones acústicas para determinar la vida delas brocas. Estas técnicas tienen importancia especial en operaciones controladaspor computadora.

13.11. Taladros

Los taladros se usan para barrenar, machuelar, escariar y también paraperforar diámetros pequeños. El tipo más común es el taladro vertical. La piezase coloca en una mesa ajustable, prensándola directamente en las ranuras yorificios de la mesa, o con un tornillo de banco, que a su vez se puede sujetaren la mesa. La broca se baja manualmente mediante un volante o con el avanceadecuado con velocidades preestablecidas. Para el avance manual se requierecierta destreza para determinar el valor adecuado.

Los taladros verticales se suelen especificar por el diámetro máximo de piezaque puede caber en la mesa. Los tamaños característicos van de 150 a 1250 mm.Para mantener las velocidades correctas de corte en los filos de las brocas, sedebe ajustar la velocidad del husillo en los taladros de acuerdo con los diferentesdiámetros de broca. Los ajustes se hacen mediante poleas, cajas de engranajeso motores de velocidad variable.

Los tipos de taladros van desde las sencillas unidades de taladro de banco,que son para taladrar orificios de diámetro pequeño, hasta los grandes taladrosradiales, donde pueden caber piezas grandes. La distancia entre la columna y elcentro del husillo puede ser hasta de 3 m. La cabeza del taladro de los taladrosuniversales se puede girar, para taladrar en ángulo.

Entre los desarrollos de taladros están las máquinas de tres ejes, numé-ricamente controladas; se efectúan varias operaciones de taladrado en formaautomática y en el orden deseado usando un revólver. Éste tiene fijas variasherramientas distintas. Los taladros con varios husillos (taladros múltiples) seusan para operaciones de producción en grandes volúmenes. Estas máquinasson capaces de taladrar hasta 50 orificios de diversos diámetros, profundidadesy lugares en una etapa. Por último, los soportes de piezas para taladrar sonimportantes, pues aseguran que se puede ubicar en forma correcta la pieza.

13.12. Escariado y escariadores

El escariado o rimado es una operación para: hacer un orificio con dimen-siones más exactas que uno existente, o mejorar su acabado superficial. Losorificios más exactos se producen, por tanto, con el siguiente orden de operacio-nes: centrado, taladrado, perforado o mandrinado y escariado.

Un escariador o rima es una herramienta con varios filos de corte, rectos ohelicoidales; elimina muy poco material. Para los metales suaves, un escariador

222 13.13. Machuelado y machuelos

suele quitar un mínimo de 0,2 mm del diámetro de un orificio taladrado; paralos metales más duros, esta cantidad es de 0,13 mm aproximadamente. Si setrata de quitar capas más delgadas de material puede perjudicarse la operación,porque se puede dañar el escariador o la superficie del orificio se puede bruñir.

Los tipos básicos de escariadores son manuales y de máquina. Los escaria-dores manuales son rectos, o tienen un extremo cónico en el primer tercio de sulongitud. Se consiguen diversos escariadores de máquina, llamados también debroquero porque se montan en un broquero.

Existen dos tipos básicos de escariadores de broquero. Las rimas de rosatienen filos con amplios márgenes y sin desahogo; sacan bastante material, yrectifican un orificio para escariar con rimas acanaladas. Los escariadores aca-nalados tienen poco margen de desahogo y su ángulo de ataque aproximadoes de 5◦. Se usan para cortes ligeros, de más o menos 0,1 mm en diámetro deorificio.

Los escariadores huecos, que se montan en un eje, se usan en general paraorificios de más de 20 mm de diámetro. Los escariadores de expansión se adaptana pequeñas variaciones de diámetro de orificio, y pueden compensar también eldesgaste de sus filos. Los escariadores ajustables se pueden ajustar para obtenerdiámetros específicos de orificio y por consiguiente son versátiles.

Los escariadores se suelen fabricar con aceros rápidos (M1, M2 y M7) ocarburos macizos (C-2), o tienen filos de carburo. Las rimas se pueden sujetarcon firmeza, como en un broquero, o pueden flotar en sus sujetadores, paraasegurar el alineamiento; también se pueden pilotear en bujes guía colocadosarriba y abajo de la pieza.

13.13. Machuelado y machuelos

Se pueden producir roscas internas en piezas mediante machuelado. Unmachuelo es una herramienta de roscar que produce virutas, con dos, tres ocuatro canales. El machuelo más común en la producción tiene dos canales ypunta en espiral. Impulsa a las virutas hacia el orificio, por lo que hay que sacarlosólo al finalizar el corte. Los machuelos de tres canales son más robustos, porqueen el canal hay más material disponible. Los tamaños de machuelo llegan hastalos 100 mm.

Los machuelos cónicos son para reducir el par de torsión que se requiere pararoscar orificios pasantes. Los machuelos de fondeo son para roscar orificios ciegosen toda su profundidad. Los machuelos colapsables se usan en orificios de grandiámetro; después de terminar el roscado el machuelo se contrae mecánicamentey, sin girar, sale del orificio.

En el machuelado puede presentarse el problema de la remoción de virutapor las pequeñas holguras que se manejan. Si no se eliminan las virutas adecua-damente, el par de torsión excesivo resultante puede romper el machuelo. Losmedios eficaces para eliminar las virutas y mejorar la calidad del orificio roscado


son el uso de un fluido de corte y la inversión periódica y retirada del machuelodel orificio.

Un desarrollo cuyo objeto es aumentar la productividad del machuelado esla combinación de taladrado y machuelado en una sola herramienta (drapping).Esta herramienta tiene una parte de taladrado en su punta, y le sigue una secciónde machuelado.

El machuelado se puede hacer a mano o con máquinas como las siguien-tes: taladros, tornos, roscadoras automáticas y fresadoras verticales de controlnumérico —en las que se combinan la rotación relativa y el avance longitudinalcorrectos—. Se venden machueladoras especiales con funciones para operacio-nes de machuelado múltiple. Se usan mucho cabezas con husillos múltiples demachuelado, en especial en la industria automotriz, donde entre el 30 y el 40por ciento de las operaciones implican el machuelar orificios.

Con lubricación adecuada, la vida de un machuelo puede ser hasta de 10000orificios. Se puede determinar la vida con la misma técnica que se usó paramedir la vida de las brocas. Los machuelos suelen ser de aceros al carbono paraaplicaciones de servicio suave, o de aceros rápidos (M1, M2, M7 y M10) paratrabajos de producción.

Se puede mejorar la productividad de las operaciones de machuelado su-biendo la velocidad superficial hasta los 100 m/min. También se han mejoradolos sistemas autoinversores de machuelado, y hoy se usan máquinas herramien-ta modernas, controladas por computadora. Se consiguen diversos diseños convelocidades de operación de hasta 5000 rpm, aunque las velocidades de corte enla mayor parte de las aplicaciones son bastante menores.

Los tiempos de ciclo oscilan habitualmente entre uno y dos segundos. Ade-más, algunos sistemas de machuelado tienen la posibilidad de dirigir el fluidode corte hacia la zona de corte a través del husillo y un orificio en el machuelo,que también ayuda a lavar las virutas y a sacarlas del orificio que se rosca. Elmachuelado de viruta, por último, es un proceso de laminado de roscas internasque usa un machuelo formador.

13.14. Consideraciones de diseño para taladrado,escariado y machuelado

Los lineamientos básicos para diseñar las operaciones de taladrado, escaria-do y machuelado son los siguientes:

– Los diseños deben permitir el taladrado de orificios sobre superficies pla-nas y perpendiculares al movimiento de la broca; de no ser así, la brocase tiende a flexionar y el orificio no estará localizado con exactitud. Lassuperficies de salida de la broca también deben ser planas.

– Se deben evitar las superficies interrumpidas de orificio, o al menos reduciral mínimo, para mejorar la exactitud dimensional.

224 13.14. Consideraciones de diseño para taladrado, escariado y machuelado

– Si es posible, los fondos de los orificios deben ser iguales a los ángulosnormales de la punta de broca. Se deben evitar fondos planos o formasraras.

– Son preferibles los orificios pasantes a los ciegos, al igual que en las opera-ciones de mandrinado. Si se requieren orificios de gran diámetro, la piezadebe tener un orificio previo, preferentemente hecho durante su fabricación(por ejemplo, mediante conformado o colado).

– Se deben diseñar las partes de tal modo que se pueda hacer todo el tala-drado con un mínimo de soporte y sujetadores, y sin cambiar de posiciónla pieza.

– Puede dificultarse escariar orificios ciegos o en intersección, por la posibi-lidad de romper la herramienta. Se debe tener una profundidad adicionalen el orificio.

– Se deben taladrar orificios ciegos a mayor profundidad que la alcanzadapor las operaciones posteriores de escariado o machuelado que se vayan aejecutar.

Tema 14

Conformación por

eliminación de material II

14.1. Operaciones de fresado

Además de producir perfiles redondos diversos, internos o externos, conoperaciones de corte se pueden fabricar muchas otras piezas con formas máscomplicadas.

En el fresado se incluyen varias operaciones de maquinado muy versátiles,capaces de producir una diversidad de configuraciones usando una fresa, que esuna herramienta de varios dientes que produce varias virutas en una revolución.

14.1.1. Fresado horizontal

En el fresado plano, también llamado fresado periférico, el eje de rotaciónde la fresa es paralelo a la superficie de la pieza que se va a maquinar. La fresasuele ser de acero de alta velocidad, tiene varios dientes en su circunferencia,y cada uno de ellos trabaja como herramienta de corte; esta fresa se denominafresa recta.

Los cortadores para fresado periférico pueden tener dientes rectos o dienteshelicoidales, con los que se obtienen acciones respectivas de corte ortogonal uoblicuo. Los dientes helicoidales se prefieren a los dientes rectos, porque la cargaen el diente es menor y se obtiene una operación más uniforme que reduce lasfuerzas sobre la herramienta y el traqueteo.

Fresado convencional y fresado concurrente En el fresado convencional, tam-bién llamado hacia arriba o contra el avance, el espesor máximo de la virutaestá en el final del corte. Sus ventajas son que el agarre del diente no es funciónde la características superficiales de la pieza, y que la contaminación y/o casca-rilla no afectan a la vida de la herramienta. En el método normal de fresar, el

226 14.1. Operaciones de fresado

proceso de corte es uniforme siempre que los dientes de la fresa estén afilados.Sin embargo, puede haber tendencia de la herramienta a traquetear, y la piezatiene tendencia a ser arrancada hacia arriba, por lo que necesita una sujeciónadecuada.

En el fresado concurrente, llamado también hacia abajo —el giro de la fresaestá en la misma dirección que el avance de la pieza—, el corte comienza en lasuperficie de la pieza, y la viruta allí es más gruesa. La ventaja es que la com-ponente hacia abajo de las fuerzas de corte mantiene a la pieza en su posición,en especial en piezas delgadas. Sin embargo, debido a las grandes fuerzas deimpacto que se producen cuando los dientes entran a la pieza, esta operacióndebe tener un soporte rígido y se debe eliminar el juego en el mecanismo deengranajes de avance de la mesa.

El fresado ascendente (concurrente) no es adecuado para maquinar piezascon cascarilla, como son los metales trabajados en caliente, las piezas forjadas ylas piezas fundidas. La cascarilla es dura y abrasiva, causa demasiado desgastey daños a los dientes de la fresa, acortando su vida.

Parámetros del fresado La velocidad v de corte en el fresado es la velocidadperiférica de la fresa:

v = πDN,

donde D es el diámetro de la fresa y N su velocidad de rotación.

El grosor de la viruta en el fresado plano o periférico varía en su longitud,debido al movimiento longitudinal relativo entre la fresa y la pieza. Para unafresa de dientes rectos, se puede calcular el espesor de viruta no deformadaaproximado (profundidad de corte de viruta), tc, con la ecuación:

tc =2fd

D,

donde f es el avance por diente de la fresa, medido a lo largo de la superficiede la misma, i.e., la distancia que recorre la pieza por cada diente; d es laprofundidad de corte. Conforme tc aumenta, la fuerza sobre el diente de la fresase incrementa.

El avance por diente se calcula con la ecuación

f =v

Nn,

donde v es la velocidad de la pieza, y n es la cantidad de dientes en la periferiade la fresa. El tiempo de corte t se calcula con la ecuación:

t =l + lc

v,

donde l es la longitud de la pieza y lc es la extensión del primer contacto dela fresa con la pieza. Si se supone que lc � l (que no es en general el caso), larapidez de remoción del material es

RRM =lwd

t= wdt,

14. Conformación por eliminación de material II 227

donde w es el ancho de corte, que para una pieza más angosta que la longitud dela fresa, es igual al ancho de la pieza. La distancia que recorre la fresa en el ciclosin corte de la operación de fresado es una consideración económica importante,y debe reducirse al mínimo.

Aunque se puede calcular la potencia necesaria en el fresado plano, es difícilcalcular las fuerzas que actúan sobre la fresa (tangencial, radial y axial), por lasmuchas variables que intervienen, en especial de la geometría de la fresa. Estasfuerzas se pueden medir experimentalmente para varias condiciones.

14.1.2. Fresado de refrentado

En el fresado de refrentado, de cara o de careado, la fresa se monta en unhusillo cuyo eje de rotación es perpendicular a la superficie de la pieza. La fresagira a N rpm, y la pieza se mueve en una trayectoria recta a velocidad v. Segúnel sentido de giro de la fresa, se puede tener un fresado ascendente o un fresadoconvencional. Las herramientas se montan en el portafresas.

A causa del movimiento relativo entre los dientes cortantes y la pieza, unafresa de careado deja marcas de avance en la superficie maquinada parecidas alas que quedan en las operaciones de cilindrado. La rugosidad superficial de lapieza depende de la geometría del filo del inserto y del avance por diente.

El ángulo de posición o avance del inserto en el refrentado tiene una influen-cia directa sobre el espesor de viruta no deformada. A medida que aumenta elángulo de posición, disminuye el espesor de viruta no deformada (así como elespesor en general de la viruta), y aumenta la longitud de contacto.

Es importante la relación entre el diámetro de la fresa y los ángulos de losinsertos, así como su posición en relación con la superficie que se va a fresar,porque determinará el ángulo con el cual el inserto entra y sale de la pieza.

14.1.3. Fresado frontal o de extremo

Con el fresado frontal o de extremo se pueden producir superficies planasy también diversos perfiles. La fresa en este caso (fresa frontal) posee zancosrectos o cónicos, para las fresas pequeñas y grandes, respectivamente. La fresasuele girar en torno a un eje perpendicular a la pieza, aunque se puede inclinarpara maquinar las superficies oblicuas.

También se consiguen fresas frontales con extremos hemisféricos (de narizde bola) para producir superficies curvas, como en dados y moldes. Las fresashuecas tienen dientes internos y se usan para maquinar la superficie cilíndricade piezas redondas sólidas. Las fresas frontales son de aceros rápidos o tieneninsertos de carburo.

Fresado de alta velocidad Una de las aplicaciones más comunes del maquinadode alta velocidad es el fresado de alta velocidad con una fresa frontal, que se

228 14.1. Operaciones de fresado

ajusta a las mismas descripciones generales acerca de la rigidez de las máquinas,dispositivos de sujeción, etc.

La producción de cavidades en pequeños dados de forja (embutido profundo)para piezas como bielas, se hace hoy con fresado frontal con una fresa de nariz debola de 2 mm de diámetro, recubierta con TiAlN . El husillo tiene cojinetes deaire y puede girar a velocidades de hasta 50000 rpm, con una precisión rotacionalde 10 µm.

14.1.4. Otras operaciones de fresado y sus fresas

Para maquinar diversas superficies se usan otras operaciones de fresado yfresas. En el fresado compuesto o gemelo, se montan dos o más fresas en uneje y con ellas se maquinan dos o más superficies paralelas sobre la pieza. Elfresado de contorno, que produce perfiles curvos, usa fresas con dientes de formaespecial; esas fresas también se usan para tallar dientes de engranajes.

Las fresas circulares para cortar pueden tener los dientes ligeramente tris-cados, como los de una segueta, para proporcionar la holgura a la fresa cuandose cortan ranuras hondas. Las fresas para ranuras en T son para maquinar ra-nuras como las de las mesas de máquinas herramientas, para sujetar las piezas.Primero se fresa una ranura con una fresa frontal. A continuación la fresa deranura en T corta el perfil completo de la ranura en un paso.

Las fresas de cuñeros o de chaveteros se usan para cortar cuñeros redondosen los ejes. Las fresas en ángulo son para producir superficies oblicuas a diversosángulos. Las fresas huecas (shell mill) se montan en un zanco; esto permite usarel mismo zanco con fresas de diversos tamaños. El empleo de las fresas huecasse parece al de las de calar. El fresado con un solo diente de corte montadoen un husillo de alta velocidad se llama corte al vuelo; por lo general se usaen operaciones sencillas de refrentado y de barrenado. Se puede conformar laherramienta como si fuese de una punta, y se puede colocar en diversas posicionesradiales en el husillo.

14.1.5. Portaherramientas

Las fresas se clasifican en fresas de árbol y fresas de zanco. Las fresas deárbol se montan en un árbol o eje en operaciones como fresado plano, refrentado,compuesto y de contorno. En las fresas de zanco, la fresa y el zanco son de unapieza. Los ejemplos más comunes de fresas de zanco son las de calado. Aunquelas fresas pequeñas frontales poseen zancos rectos, las mayores tienen zancoscónicos para poder sujetarse mejor y resistir las mayores fuerzas y pares que sedesarrollan.

Las fresas con zancos rectos se montan en broqueros de pinzas (boquillas) oen sujetadores especiales; las de zancos cónicos se montan en portaherramientascónicos. Además de los portaherramientas mecánicos, se consiguen portaherra-mientas y árboles hidráulicos. La rigidez de las fresas y sus portaherramientas


es importante en la calidad de la superficie, y para reducir la vibración y eltraqueteo durante las operaciones de fresado. Los portaherramientas cónicosconvencionales tienen tendencia a desgastar y abocardarse, debido a las fuerzasradiales que se desarrollan en el fresado.

14.1.6. Posibilidades del proceso de fresado

Los avances de corte para el fresado van normalmente desde 0,1 mm a 0,5mm por diente. Las profundidades de corte son de 1 a 8 mm. Las velocidadesde corte varían dentro de amplios límites, dependiendo del material de la pieza,de la herramienta de corte y de los parámetros del proceso; normalmente estánentre 30 y 3000 m/min.

14.1.7. Lineamientos de diseño y operación para el fresado

Muchos de los lineamientos para cilindrar y mandrinar se aplican a lasoperaciones de fresado. Entre los factores adicionales para el fresado están lossiguientes:

– Se deben usar fresas bajo norma y evitar las fresas especiales y costosas.Entre las propiedades del disñeo se incluyen forma, tamaño, profundidad,ancho y radios de esquina.

– Se deben usar chaflanes y no radios, por la dificultad de hacer coincidirbien las diversas superficies que se intersecan.

– Se deben evitar cavidades y bolsas u oquedades con esquinas agudas, porla dificultad de fresarlas, ya que las fresas tienen un radio finito de filo.

– Las piezas deben tener la rigidez suficiente para reducir al mínimo la fle-xión producida por las fuerzas de sujeción y de corte.

Los lineamientos para evitar la vibración y el traqueteo en el fresado separecen a los del torneado. Además, se deben observar las siguientes prácticas:

– Las fresas se deben montar tan cerca de la base del husillo como seaposible, para reducir las deflexiones de la herramienta.

– Los portaherramientas (las boquillas) y los soportes deben ser tan rígidoscomo sea posible.

– En caso de que haya vibración y traqueteo, se deben modificar la forma dela herramienta y las condiciones del proceso; además, se deben usar fresascon menos dientes, o con espaciamiento aleatorio entre dientes.

230 14.2. Máquinas fresadoras

14.2. Máquinas fresadoras

Por ser capaces de ejecutar diversas operaciones de corte, las fresadoras sonuna de las máquinas herramientas más versátiles y útiles. La máquina fresadoramás antigua fue construida por Eli Whitney (1765–1825) en 1820. Hoy se dis-pone de una amplia variedad de máquinas fresadoras con numerosas funciones.

14.2.1. Máquinas de consola (columna y rodilla)

Se usan para operaciones de fresado de propósito general, y son las máscomunes. El husillo sobre el que se monta la fresa puede ser horizontal parafresado plano o vertical, para careado y contorneado, taladrado y barrenado.Las partes básicas de estas máquinas son las siguientes:

– Una mesa, donde se sujeta la pieza con ranuras en T. La mesa se mueveen dirección longitudinal con respecto a la silla o al carro.

– Una silla o carro (soporte de la mesa), que sostiene la mesa y puedemoverse en dirección transversal.

– Una consola o rodilla que soporta la silla y comunica movimiento verticala la mesa, para poder ajustar la profundidad de corte.

– Un contrasoporte (carnero) en las máquinas horizontales, ajustable paraadaptarse a diferentes longitudes de árbol.

– Un cabezal, que contiene el husillo y los sujetadores de fresas. En las máqui-nas verticales, el cabezal puede ser fijo o se puede ajustar verticalmentee inclinarse en un plano vertical, en la columna, para cortar superficiesoblicuas.

Las fresadoras en plano poseen tres ejes de movimiento, los cuales se ma-nejan manualmente o están motorizados. En las fresadoras universales, la mesase puede hacer girar en un plano horizontal. De esta forma se pueden maquinarformas complicadas, por ejemplo ranuras helicoidales en distintos ángulos, paraproducir piezas como engranajes, brocas, machuelos y cortadores.

14.2.2. Fresadoras longitudinales

En las fresadoras longitudinales, la mesa se monta directamente en la ban-cada, que reemplaza a la consola o rodilla y sólo se puede mover en sentidolongitudinal. Estas fresadoras no son tan versátiles como las de otros tipos, pe-ro tienen gran rigidez y se usan para trabajos de alta producción. Los husillospueden ser horizontales o verticales y dobles o triples, para maquinar en formasimultánea dos o tres superficies de la pieza.


14.2.3. Otros tipos de fresadoras

Hay otros tipos de fresadoras. Las fresadoras de cepillo, o fresadoras planas,que se parecen a las longitudinales, tienen varios cabezales y fresas para cortarvarias superficies. Se usan para piezas pesadas y son más eficientes que loscepillos cuando tienen la misma aplicación. Las fresadoras de carrusel o de mesarotatoria se parecen a las fresadoras verticales, y tienen uno o más cabezalespara operaciones de refrentado.

Hay diversos componentes de las fresadoras que se están reemplazando rá-pidamente por máquinas de control numérico por computadora. Esta máquinasherramientas son versátiles y capaces de fresar, taladrar, mandrinar y machue-lar con precisión repetitiva. Entre otros desarrollos se incluyen las fresadoras decontorno, que tienen cinco ejes de movimiento.

14.2.4. Dispositivos y accesorios de sujeción de piezas

La pieza que se va a fresar se debe sujetar con firmeza a la mesa pararesistir las fuerzas de corte y evitar el deslizamiento durante el fresado. Paraeste fin se usan varios aditamentos y prensas. Se montan y sujetan a la mesacon las ranuras en T. Las prensas se usan en trabajos menores de producción yen pinzas pequeñas. Los soportes se usan para producciones más grandes y sepueden automatizar mediante dispositivos mecánicos e hidráulicos.

Entre los accesorios de las fresadoras se incluyen diversos soportes y adita-mentos para cabezales y mesas, diseñados para adaptarlas a diferentes operacio-nes de fresado. El accesorio que se usaba con más frecuencia en el pasado era elcabezal divisor universal. Este soporte funciona manualmente y gira la pieza enángulos específicos, entre los pasos de maquinado. Se ha usado para fresar piezascon superficies poligonales y para maquinar dientes de engranajes. Hoy en día,los cabezales divisores sólo se usan para producción a escala de taller, de bajovolumen. Han sido sustituidos por controles numéricos y centros de maquinado.

14.3. Cepillado y contorneado

El cepillado es una operación relativamente sencilla de corte, mediante lacual se producen superficies planas y diversas formas transversales, con canalesy muescas a lo largo de la pieza. El cepillado se suele hacer en grandes piezas,de hasta 25× 15 m2.

En un cepillo la pieza se monta en una mesa que se mueve en línea recta. Unriel transversal horizontal, que se puede mover verticalmente por las guías en lacolumna, tiene uno o más cabezales de herramienta. Las herramientas de cortese fijan a los cabezales y el maquinado se hace moviéndolas en línea recta. Porel movimiento de vaivén de la pieza, es apreciable el tiempo sin cortar duranteel viaje de regreso.

232 14.4. Brochado y brochadoras

En consecuencia, estas operaciones no son eficientes ni económicas exceptopara producciones bajas. Se puede mejorar la eficiencia de la operación po-niendo portaherramientas y herramientas que corten en ambas direcciones demovimiento de la mesa.

Para evitar que los filos de la herramienta se desportillen o mellen cuandofrotan la pieza durante el viaje de regreso, las herramientas se inclinan o seelevan mecánica o hidráulicamente, para alejarse de la pieza. A causa de sulongitud, es esencial equipar a las herramientas con rompedores de viruta. Deno ser así, las virutas pueden ser muy largas, interfiriendo con la operación yconstituyéndose en un riesgo para la seguridad.

En los cepillos, las velocidades de corte pueden llegar a 120 m/min y lascapacidades, a 110 kW. Las velocidades recomendadas son de 3 a 6 m/minpara las fundiciones de hierro y los aceros inoxidables, y hasta 90 m/min paraaleaciones de aluminio y magnesio. Los avances suelen estar entre 0,5 y 3 mmpor pasada. Los materiales más comunes de herramienta son los aceros para altavelocidad M2 y M3 y los carburos C-2 y C-6.

El contorneado o formado se usa para maquinar piezas; se parece muchoal cepillado, pero las piezas son más pequeñas. El corte en el contorneado esbásicamente igual que en el cepillado. En una formadora horizontal la herra-mienta sigue una trayectoria recta y la pieza es fija; esa herramienta está fija enel cabezal de la herramienta, que se monta en el ariete.

El ariete tiene un movimiento de vaivén, y en la mayor parte de las máquinasde corte se hace durante el movimiento de ida del ariete (corte de empuje); enotras se hace durante la carrera de regreso (corte de tirón). Las formadorasverticales (ranuradoras) se usan para maquinar muescas, cuñeros y dados. Porlas bajas velocidades de producción sólo se usan hoy formadoras de propósitoespecial, por ejemplo talladoras de engranajes.

14.4. Brochado y brochadoras

La operación de brochado se parece a la de contorneado con varios dientes,y es para maquinar superficies externas e internas. Una brocha es en efectouna herramienta de corte larga multidentada; la profundidad total del materialremovido en un solo golpe es la suma de las profundidades de corte de cadadiente de la herramienta para el brochado. Una herramienta larga para estetipo de operación puede remover material con una profundidad de hasta 38mm.

El brochado es un proceso de producción muy importante y se pueden ma-nufacturar piezas con muy buen acabado superficial y una alta precisión dimen-sional. Este proceso compite favorablemente con otros tales como el mandrinado(perforado), fresado, contorneado y rimado, cuando se producen piezas seme-jantes. A pesar de que el brochado puede ser costoso, éste se justifica por lasgrandes series de producción.


Brochas El ángulo de ataque o de gancho de una brocha depende del materialque se corta, y suele ser de 0 a 20◦. El ángulo de holgura suele ser de 1 a 4◦; losdientes de acabado tienen ángulos menores. Si el ángulo de holgura es demasiadopequeño, los dientes se friccionan contra la superficie brochada. El paso de losdientes depende de factores como la longitud de la pieza (longitud de corte), laresistencia del diente y el tamaño y la forma de las virutas.

La profundidad del diente y el paso deben ser suficientemente grandes paraque acomoden las virutas producidas en el brochado, en especial para piezaslargas; siempre deben estar cuando menos dos dientes en contacto con la pieza.Se puede usar la siguiente fórmula para calcular el paso de una herramientapara el brochado que corta una superficie de longitud l:

Paso = k√

l.

En esta ecuación k es una constante igual a 1,76 cuando l está en mm, y a 0,35cuando l está en pulgadas.

Las herramientas para el brochado se consiguen con varios perfiles, incluyen-do algunos con rompevirutas. Se fabrican para producir diversas formas externase internas. La diversidad de brochas de superficie abarca la plana, de ranura, decontorno, de cola de milano, de olla —para formas externas con precisión— yparalela.

Los tipos internos de brocha incluyen el de orificio —para agujeros contolerancias estrechas, formas redondas y otras formas más—, cuñero, engranajeinterno y acanalado.

Brochado con giro Un avance en la tecnología de brochado es el brochado congiro de superficies de apoyo o de cojinete de cigüeñales y aplicaciones parecidas.El cigüeñal se gira entre puntos y la brocha, que tiene varios insertos de carburo,pasa rozando por las superficies de cojinete y saca material.

14.4.1. Brochadoras

Las brochadoras jalan o empujan las brochas y son horizontales o verticales.Las brochas de empuje suelen ser más cortas, de 150 a 350 mm. Las brochas detracción tienden a enderezar el agujero, mientras que el empuje permite a la bro-cha seguir cualquier irregularidad del agujero piloto. Las máquinas horizontalestienen capacidad para mayores carreras.

La fuerza necesaria para empujar o jalar la brocha depende de la resistenciadel material de la pieza, la profundidad total y el ancho del corte, así como dela velocidad de corte. También influyen sobre esta fuerza el perfil del diente yel uso de fluidos de corte. Las fuerzas que desarrollan las brochadoras puedenllegar hasta 0,9 MN. Estas máquinas son relativamente sencillas, sólo tienenmovimientos lineales y suelen estar accionadas hidráulicamente, aunque algunasse mueven con manivela, tornillo o cremallera.

234 14.5. Aserrado

14.4.2. Parámetros del proceso de brochado

Las velocidades de corte en el brochado pueden ir de 1,5 m/min para aleacio-nes de alta resistencia hasta 15 m/min para aleaciones de aluminio y magnesio.Los materiales de brocha más comunes son aceros rápidos M2 y M7 e insertosde carburo. Hoy en día, la mayor parte de las brochas se recubren de nitrurode titanio para tener mayor duración de la herramienta y mejor acabado su-perficial. También se usan insertos de cerámica para operaciones de acabado enalgunas operaciones.

Las piezas troqueladas pequeñas de acero para alta velocidad de brochasse pueden fabricar por pulvimetalurgia para tener un mejor control de calidad.Aunque se pueden colocar insertos de carburo o de cerámica después de habersegastado, los dientes de una brocha de acero para alta velocidad se pueden afilarpor esmerilado. En general, se recomienda usar fluidos de corte para el brochado.

14.4.3. Consideraciones de diseño para el brochado

Los principales requisitos para el brochado son los siguientes:

– Se deben diseñar piezas de modo que se puedan sujetar con firmeza enlas brochadoras. Las partes deben tener la suficiente rigidez y resistenciaestructurales para resistir las fuerzas de corte durante el brochado.

– Se deben evitar los agujeros ciegos, las aristas agudas, las estrías en colade milano y las superficies planas grandes.

– Son preferibles los chaflanes a las transiciones redondas.

14.5. Aserrado

El aserrado es una operación de corte en la que la herramienta de cortees una hoja con una serie de dientes pequeños (segueta); cada diente quitauna pequeña cantidad de material. Este proceso se usa en todos los materialesmetálicos y no metálicos que sean maquinables mediante otros procesos de corte,y puede producir diversas formas. El aserrado es un proceso eficaz de remociónde material voluminoso y puede producir formas casi netas a partir de la materiaprima. El ancho de corte en el aserrado suele ser pequeño, por lo que en el procesose desperdicia poco material.

La distancia entre dientes es en general de 0,08 a 1,25 dientes por mm. Seconsigue una gran variedad de formas y pasos de diente, así como espesores,anchos y tamaños de segueta. Las seguetas se fabrican con aceros al carbono yde alta velocidad (M-2 y M-7). Las seguetas de dientes de carburo o de acerorápido se usan para aserrar los materiales más duros.

El triscado de los dientes es importante, porque produce un ancho de cortesuficiente para que la segueta se mueva libremente dentro de la pieza sin atorarse


ni tener resistencia por fricción. También se reduce así el calor generado, quepuede tener un efecto desfavorable sobre el corte, en especial cuando se cortanmateriales termoplásticos.

En la pieza siempre deben estar cortando cuando menos dos o tres dientes,para evitar el enganche o aprisionamiento del diente en la pieza. Esta es larazón por la que se puede dificultar el corte de materiales delgados. Mientrasmás delgada sea la pieza, los dientes de la segueta deben ser más finos, y mayorsu cantidad por unidad de longitud. Las velocidades de corte en el aserradollegan hasta 90 m/min y se usan velocidades menores para cortar metales dealta resistencia.

14.5.1. Tipos de sierras

Las sierras de arco tienen seguetas rectas y movimientos de vaivén. Se in-ventaron hacia 1650 y se usan en general para cortar barras, varillas y perfilesestructurales. Pueden tener accionamiento manual o mecánico. Como el cortesólo se hace durante una de las dos carreras alternativas, las sierras mecánicasno son tan eficientes como las de cinta.

Las seguetas para sierras de arco motorizadas suelen tener de 1,2 a 2,5 mmde espesor, y hasta 610 mm de longitud. Los golpes por minuto van de 30, paraaleaciones de alta resistencia, hasta 180 para aceros al carbón. El armazón de lassierras de arco motorizadas tiene varios mecanismos de contrapeso, que puedenaplicar fuerzas de hasta 1,3 kN a la pieza para mejorar la velocidad de corte.Las seguetas para las sierras de arco manuales son más delgadas y cortas quelas anteriores, y tienen hasta 1,2 dientes por mm para aserrar láminas metálicasy tubos de pared delgada.

Las sierras circulares o sierras de disco se usan en general para el aserradode gran rapidez de producción y para desprender o tronzar. Las operacionesde desprendimiento también se pueden hacer con discos abrasivos delgados. Elaserrado con disco se usa mucho, en especial para áreas transversales masivas,como en los productos de laminadoras con diversas áreas transversales. Estassierras se consiguen en una gran diversidad de perfiles y tamaños de diente, ypueden avanzar formando cualquier ángulo hacia la pieza. El desprendimientocon sierras circulares produce piezas relativamente lisas con buena precisióndimensional, debido a la rigidez de las máquinas y de los discos.

Las sierras de cinta tienen seguetas continuas, largas y flexibles que permi-ten una acción continua de corte. Las sierras de cinta verticales (en las que ladirección de movimiento de la segueta es vertical) se usan para cortes rectos yde calado, en láminas planas y otras partes, soportadas en una mesa horizontal.También se consiguen sierras de cinta con control por computadora, que per-miten guiar la trayectoria de calado en forma automática. Las sierras de cintahorizontales tienen mayor productividad que las de arco motorizadas.

Con seguetas de acero para alta velocidad, las velocidades de corte en el ase-rrado son de unos 9 m/min para aleaciones de alta resistencia, y de 120 m/minpara aceros al carbono. Con seguetas de acero al alto carbono, las velocidades de

236 14.6. Limado y acabado

corte llegan hasta los 400 m/min con las aleaciones de aluminio y de magnesio.

Las seguetas y el alambre de alta resistencia se pueden recubrir con polvode diamante (seguetas de filo de diamante y seguetas de alambre de diamante),de tal modo que las partículas de diamante funcionen como dientes de corte(corte abrasivo); también se usan partículas de carburo para ese fin.

14.5.2. Aserrado por fricción

El aserrado por fricción es un proceso en el que una hoja o disco de acerosuave se frota contra la pieza con velocidades de hasta 7600 m/min. La energíade fricción se convierte en calor, que suaviza con rapidez una zona angosta dela pieza. La acción de la segueta o disco, que a veces tiene dientes o muescas,jala y expulsa al material suavizado en la zona de corte.

El proceso de aserrado por fricción es adecuado para los metales ferrososduros y los plásticos reforzados, pero no para los metales no ferrosos, porquetienden a pegarse a la segueta.

14.6. Limado y acabado

El limado consiste en quitar material en pequeña escala a una superficie,esquina u orificio, e incluye la remoción de asperezas o rebabas. Las limas fueroninventadas hacia el 1000 a.C., y son en general de acero endurecido; se consiguencon una diversidad de secciones transversales, como las planas, redondas, demedia caña, cuadradas y triangulares. Tienen muchas formas y tamaños dediente.

Aunque el limado se acostumbra a hacer a mano, se consiguen diversasmáquinas con funciones automáticas para obtener grandes capacidades de pro-ducción, donde las limas van y vienen hasta a 500 carreras por minuto. Las limasde cinta están formadas por segmentos, cada uno de unos 75 mm de longitud,remachados por una cinta flexible de acero, y se usan en forma parecida a lassierras de cinta. También se consiguen limas de disco.

Las limas rotatorias y matafilos rotatorios son para aplicaciones especiales,como quitar material en matrices o dados, rebabeado, borrado de rayaduras,quitar cascarilla y producir chaflanes en las piezas. Estos cortadores suenen sercónicos, cilindros o esféricos, y tienen varios perfiles de diente.

14.7. Operaciones de maquinado y acabado conabrasivos

En muchas de las manufacturas, los requisitos de acabado superficial y deexactitud dimensional de las partes son demasiado finos, el material de la pieza


es demasiado duro o es demasiado frágil para poder producirlas sólo con cua-lesquiera de los procesos que se han descrito hasta aquí. Uno de los mejoresmétodos para producir esta clase de partes es el maquinado abrasivo.

Un abrasivo es una partícula dura, pequeña y no metálica que tiene aristasagudas y forma irregular —a diferencia de las herramientas que se han descritohasta ahora—. Los abrasivos son capaces de quitar pequeñas cantidades dematerial de una superficie, mediante un proceso de corte que produce virutasdiminutas.

Por ser duros, los abrasivos también se usan en procesos de acabado parapartes muy duras o con tratamiento térmico, por ejemplo para dar forma amateriales no metálicos duros, como cerámicos y vidrios, para quitar cordonesy salpicaduras de soldadura, cortar tramos de perfiles estructurales y barras,mampostería y cemento, y para limpiar superficies con chorros de aire o aguaque contengan partículas abrasivas.

14.8. Abrasivos

En los procesos de manufactura se usan habitualmente dos grandes clasesde abrasivos: por un lado están los abrasivos convencionales, entre los cuales secuentan el óxido de aluminio (Al2O3); por otro están los superabrasivos, entrelos cuales están el nitruro de boro cúbico y el diamante.

Estos abrasivos son mucho más duros que los materiales convencionalesde las herramientas de corte. El nitruro de boro cúbico y el diamante son losmateriales más duros que se conocen.

Además de la dureza, una característica importante es la friabilidad, que esla facilidad con la que los granos abrasivos se fracturan y forman piezas máspequeñas. Esta propiedad es la base de las características de autoafilamiento delos abrasivos, esencial para mantener la abrasividad durante su uso. La formay el tamaño del grano abrasivo también afectan a su friabilidad. Por ejemplo,los granos voluminosos, que se parecen a las herramientas de corte con ángulonegativo de ataque, son menos friables que los granos laminares. Además, comola posibilidad de tener defectos es menor en los granos pequeños (a causa delefecto del tamaño), son más fuertes y menos friables.

Tipos de abrasivos Los abrasivos que hay en la naturaleza son esmeril, corin-dón (alúmina), cuarzo, granate y diamante. Estos abrasivos naturales contienenen general cantidades desconocidas de impurezas y sus propiedades no son uni-formes; en consecuencia, su funcionamiento no es consistente ni fiable. Por loanterior, hoy se hacen abrasivos en forma sintética.

– El óxido de aluminio sintético se preparó por primera vez en 1893, y seobtiene fundiendo bauxita, limaduras de hierro y coque. Los óxidos dealuminio se dividen en dos grupos: fundidos y no fundidos. Los óxidos dealuminio fundido se clasifican en oscuros (menos friables), blancos (muy

238 14.9. Abrasivos aglomerados o piedras abrasivas

friables) y monocristalinos. La alúmina no fundida (llamada también óxi-dos de aluminio cerámicos) puede ser más dura que la alúmina fundida,y su forma más pura (libre de imperfecciones) es el gel sembrado.

Este gel sembrado se comenzó a usar en 1987, y tiene un tamaño de partí-cula del orden de 0,2 µm, mucho menor que los granos de abrasivos de usocomún. Estas partículas se sinterizan para formar tamaños mayores. Porsu dureza y friabilidad relativamente alta, los geles sembrados mantienensu filo y se usan para materiales difíciles de rectificar.

– El carburo de silicio (descubierto en 1891) se fabrica con arena de sílice,coque de petróleo y pequeñas cantidades de cloruro sólido. Los carburosde silicio se dividen en negros (menos friables) y verdes (más friables), yen general tienen mayor friabilidad que los óxidos de aluminio; por consi-guiente, tienen mayor tendencia a fracturarse y mantenerse afilados.

– El nitruro de boro cúbico se desarrolló en la década de 1970.

– El diamante, que puede ser sintético, es decir industrial, se usó por primeravez como abrasivo en 1955.

Tamaño de grano Tal como se usan en los procesos de manufactura, los granosde abrasivo son en general muy pequeños en comparación con el tamaño delas herramientas de corte y los insertos. Además, tienen esquinas agudas quepermiten la remoción de cantidades muy pequeñas de material de la superficiede la pieza. En consecuencia, se pueden obtener un acabado superficial muy finoy una gran exactitud dimensional.

El tamaño de un grano abrasivo se identifica por su número de grano, quees una función del tamaño de malla; mientras menor sea el tamaño de grano,mayor será el número de grano. Por ejemplo, se considera que el número 10 esmuy grueso, el 100 es fino y el 500 muy fino.

14.9. Abrasivos aglomerados o piedras abrasivas

Como cada grano de abrasivo retira sólo una cantidad muy pequeña de ma-terial cada vez, sólo se pueden alcanzar rapideces altas de remoción si trabajanjuntos una gran cantidad de ellos. Esto se logra usando abrasivos aglomerados,que en forma característica asumen la forma de una piedra abrasiva, piedra derectificar, piedra de esmeril o muela.

Los granos abrasivos se mantienen unidos mediante un material aglomeranteque funciona como liga de soporte entre los granos. En los abrasivos aglomeradoses esencial la porosidad, para tener huecos para las virutas que se producen, ypara ayudar al enfriamiento; de otro modo, las virutas interferirían con el procesode rectificado. Es imposible usar una piedra abrasiva que no tenga porosidad,que esté totalmente densa y maciza. Los abrasivos aglomerados tienen una marcacon sistema normalizado de letras y números, que indica la clase de abrasivo, eltamaño de grano, el grado, la estructura y el tipo de aglomerante.


14.9.1. Tipos de aglomerante

Los tipos comunes de aglomerante de abrasivos son los vitrificados, resinoi-des, hules y metálicos. La mayor parte de estos aglomerantes se usan tanto paraabrasivos convencionales como para superabrasivos.

Vitrificados Son esencialmente un vidrio, y también se llaman aglomerantecerámico, en especial fuera de Estados Unidos. Es el aglomerante más común ysu uso está muy extendido. Las materias primas son feldespato y caolines. Semezclan con los abrasivos, se humedecen y se moldean a presión, con n la formade las piezas abrasivas.

Estos productos «verdes» se hornean gradualmente hasta una temperaturaaproximada de 1250◦C para fundir el vidrio y desarrollar resistencia estructural.A continuación se enfrían con lentitud para evitar roturas térmicas, terminadasal tamaño, se inspeccionan para comprobar su calidad y exactitud dimensionaly se prueban para localizar posibles defectos.

Las piedras con aglomerantes vitrificados son resistentes, rígidas, porosas yresistentes a los aceites, ácidos y agua. Son frágiles y carecen de resistencia a loschoques mecánico y térmico, pero también se consiguen con placas o copas derespaldo de acero para tener mejor soporte estructural en su empleo. Se puedemodificar el color de la piedra con diversos elementos durante su fabricación; deese modo se pueden identificar para usarse con materiales de pieza específicos,como ferrosos, no ferrosos, cerámicos, etcétera.

Resinoides Los materiales aglomerantes resinoides son resinas termofijas yse consiguen en una amplia gama de formulaciones y propiedades. Como eladhesivo es un compuesto orgánico, las piedras con aglomerantes resinoidesse llaman también piedras orgánicas. La técnica básica de fabricación consisteen mezclar el abrasivo con resinas fenólicas líquidas o en polvo, y aditivos; lamezcla se prensa para llegar a la forma de la piedra, y se cuece a temperaturasaproximadas de 175◦C.

Como el módulo de elasticidad de las resinas termofijas es menor que el delos vidrios, las piedras resinoides son más flexibles que las vitrificadas. Se usanmucho las piedras reforzadas, en las que una o más capas de colcha de fibrade vidrio de diversos tamaños de malla suministran el refuerzo. Su objeto esretardar la desintegración de la pieza en caso de que se rompa por cualquiermotivo.

Hule El aglomerante más flexible que se usa en las piedras abrasivas es elhule. El proceso de manufactura consiste en mezclar hule curado, azufre y losgranos de abrasivo, laminar la mezcla, cortar círculos y calentarlos a presión,para vulcanizar el hule.

240 14.10. El proceso de rectificado

Aglomerantes metálicos Mediante técnicas de pulvimetalurgia, los granos deabrasivo —por lo general diamante o nitruro de boro cúbico— se pegan a laperiferia de una rueda metálica, a profundidades de 6 mm o menos. La adhesiónmetálica se hace bajo alta presión y temperatura. La rueda misma (el núcleo)puede ser de aluminio, bronce, acero, cerámica o materiales compuestos, depen-diendo de los requisitos como resistencia, rigidez y estabilidad dimensional.

Otros aglomerantes Además de los descritos arriba, hay otros aglomerantescomo los de silicato, goma laca y oxicloruro. Sin embargo, sus usos son limita-dos. Un nuevo desarrollo es el uso de la poliimida como sustituto de la resinafenólica en las piedras resinoides. Es tenaz y a la vez resistente a altas tempera-turas. Además, las piedras superabrasivas se pueden estratificar, de modo que sepegue una sola capa de abrasivo con plata o latón a una rueda metálica con de-terminada forma. Estas piedras son de menor costo y se usan para produccionespequeñas.

14.9.2. Grado y estructura de la piedra

El grado de un abrasivo aglomerado es una medida de la resistencia deladhesivo; incluye tanto al tipo como a la cantidad del aglomerante en la piedra.Como la resistencia y la dureza se relacionan directamente, el grado también sellama dureza del abrasivo aglomerado. Una piedra dura tiene un adhesivo másresistente y/o una mayor proporción del mismo entre los granos que una piedrasuave. La estructura de un abrasivo aglomerado es una medida de la porosidad.

14.10. El proceso de rectificado

El rectificado es un proceso de remoción de virutas que usa un grano abra-sivo individual como herramienta de corte. Las diferencias principales entre lasacciones del grano y de herramienta de una punta son las siguientes:

– Los granos abrasivos individuales tienen formas irregulares y están a dis-tancias aleatorias en la periferia de la piedra.

– El ángulo promedio de ataque de los granos es muy negativo, como porejemplo −60◦ o aún menos. En consecuencia, las virutas del rectificadosufren una deformación mucho mayor que las de otros procesos de corte.

– Las posiciones radiales de los granos varían.

– Las velocidades de corte son muy altas, normalmente de 30 m/s.

Se pueden observar mejor el proceso de rectificado y sus parámetros en laoperación de rectificado plano. En ella, una piedra abrasiva recta de diámetro D

saca una capa de metal a la profundidad d (profundidad de corte de la piedra).


Un grano individual en la periferia de la rueda se mueve a una velocidad tan-gencial V , mientras que la pieza se mueve a velocidad v. Cada grano abrasivosaca una pequeña viruta con un espesor no deformado (profundidad de corte delgrano) igual a t, y de longitud no deformado l.

14.10.1. Fuerzas en el rectificado

Si suponemos que la fuerza de corte en el grano es proporcional al áreatransversal de la viruta no deformada, se puede demostrar que la fuerza delgrano (fuerza tangencial de la piedra) es proporcional a las variables del procesocomo sigue:

Fuerza de grano ∝

(

v

V

√

d

D

)

(Resistencia del material).

Por las pequeñas dimensiones que se manejan, las fuerzas en el rectifica-do suelen ser mucho menores que las de las operaciones de corte. Las fuerzasde rectificado deben mantenerse bajas para evitar distorsiones y mantener laexactitud dimensional de la pieza.

La energía disipada al producir una viruta en el rectificado está constituidapor la necesaria para: la formación de las virutas, el rayado del material, y lafricción causada por el frotamiento del grano a lo largo de la superficie.

Los granos desarrollan una cara de desgaste, parecida al desgaste de flancoen las herramientas de corte, resultado de la operación de rectificado. La carade desgaste se frota con la superficie rectificada y, por la fricción, disipa energía.

Los requisitos normales de energía específica —energía requerida por unidadde volumen de material eliminado— en el rectificado son mucho mayores queen las operaciones de maquinado. Se puede atribuir esta diferencia a factorescomo la presencia de caras planas y virutas producidas con ángulo de ataquenegativo grande. A partir de los datos de energía específica se puede calcular lafuerza de rectificado (tangencial a la piedra), Ft, y la fuerza de empuje (normala la superficie de la pieza), Fn.

14.10.2. Temperatura

En el rectificado, el aumento de temperatura es una consideración impor-tante, porque puede afectar en forma adversa a las propiedades de la superficie,y causar esfuerzos residuales en la pieza. Además, los gradientes de temperaturaen la pieza causan distorsiones por diferencias en dilatación y contracción tér-mica. Cuando una parte del calor generado entra en la pieza, expande la parteque se está rectificando, y se dificulta controlar la exactitud dimensional.

El aumento de temperatura superficial en el rectificado se relaciona con las

242 14.10. El proceso de rectificado

variables del proceso con la siguiente ecuación:

Aumento de temperatura ∝ D1

4 d3

4

(

V

v

)1

2

.

Por consiguiente, la temperatura aumenta al incrementarse la profundidad decorte, el diámetro y la velocidad de la piedra, y disminuye al aumentar la velo-cidad de la pieza.

Chispas Las chispas producidas al rectificar metales en realidad son virutasque se encienden, resultado de la reacción exotérmica entre las virutas y eloxígeno de la atmósfera. Las chispas no se observan cuando un metal cualquierase rectifica en un ambiente sin oxígeno.

El color, intensidad y forma de las chispas dependen de la composición delmetal que se rectifica. Hay tablas que ayudan a identificar el tipo de metal quese rectifica a partir del aspecto de sus chispas. Si el calor generado debido ala reacción exotérmica es suficientemente grande, las virutas se pueden fundiry, debido a la tensión superficial, adquirir una forma esférica y solidificarse enforma de partículas metálicas.

Revenido Un aumento excesivo de temperatura en el rectificado puede produ-cir el revenido o reblandecimiento de la superficie de la pieza En vista de ello, sedeben seleccionar con cuidado las variables del proceso para evitar un aumentoexcesivo en la temperatura.

Quemado Un aumento excesivo en la temperatura durante el rectificado —y,en especial, durante el esmerilado— puede quemar la superficie que se trabaja.Una quemadura no es perjudicial por sí misma. Sin embargo, las capas super-ficiales pueden sufrir transformaciones de fase con formación de martensita enlos aceros al alto carbono, debido al enfriamiento rápido (quemadura metalúr-gica). Esta condición influirá sobre las propiedades superficiales de las partesrectificadas, reduciendo la ductilidad y la tenacidad superficial.

Agrietamiento térmico Las altas temperaturas durante el rectificado puedenhacer que la superficie de la pieza se agriete. A esto se le llama agrietamientotérmico. Estas grietas suelen ser perpendiculares a la dirección del rectificado.Sin embargo, bajo condiciones severas de rectificado también pueden aparecergrietas en dirección paralela. Esa superficie carece de tenacidad, y tiene bajaresistencia a la fatiga y a la corrosión.

14.10.3. Esfuerzos residuales

Los gradientes de temperatura en el interior de la pieza durante el rectificadoson los principales responsables de los esfuerzos residuales. Por el efecto adverso


de los esfuerzos residuales de tensión sobre la resistencia a la fatiga, se debenseleccionar con cuidado las variables del proceso. Normalmente, los esfuerzosresiduales se pueden reducir aminorando la velocidad de la piedra y aumentandola de la pieza (rectificado de bajo esfuerzo, o rectificado benigno). También sepueden usar piedras de grado más suave, llamadas piedras de corte libre.

14.11. Métodos y máquinas de rectificado

Las operaciones de rectificado se efectúan en una diversidad de configuracio-nes de piedra y pieza. La selección del proceso de rectificado para una aplicaciónen particular depende de la forma y el tamaño de la parte, facilidad de sujecióny producción requerida.

Los tipos básicos de operaciones de rectificado son plano, cilíndrico, internoy sin centros. El movimiento relativo de la piedra puede ser a lo largo de lasuperficie de la piedra (rectificado universal) o puede ser radial hacia la pie-za (rectificado por penetración). Las rectificadoras de superficie constituyen elmayor porcentaje de rectificadoras que se usan en la industria, y les siguen lasrectificadoras de banco (por lo general con dos piedras en cada extremo delhusillo), las cilíndricas y, aunque no sean rectificadoras propiamente dichas, losesmeriles para herramienta y para fresas; las menos comunes son las rectifica-doras internas.

Las rectificadoras modernas están controladas por computadora y poseenfunciones como la carga y descarga automáticas de la pieza y la sujeción, cambio,medición, afilado y conformación de la piedra. Además, las rectificadoras puedentener sensores y medidores para determinar la posición relativa de las superficiesde la piedra y la pieza.

14.11.1. Rectificado plano

El rectificado plano implica rectificar superficies planas, y es una de la ope-raciones más comunes. En forma característica, la pieza se asegura en un platomagnético fijo a la mesa de la rectificadora. Los materiales no magnéticos sesujetan, en general, con tornillos de banco, soportes especiales, planos al vacíoo con cintas adhesivas de doble cara.

Una piedra recta se monta en el husillo horizontal en la rectificadora. Sehace rectificado transversal cuando la mesa va y viene en sentido longitudinal,y avanza lateralmente después de cada viaje. En el rectificado de penetración lapiedra avanza radialmente hacia la pieza, como cuando se rectifica una ranura.

El tamaño de una rectificadora plana se determina por las dimensiones su-perficiales que se pueden trabajar en ella. Además de la rectificadora plana, hayotros tipos, con husillos verticales y mesas giratorias (llamadas tipo Blanchard).Con estas configuraciones se pueden rectificar varias piezas en una sola prepara-ción. En soportes especiales se rectifican los balines de acero para rodamientos

244 14.11. Métodos y máquinas de rectificado

de bolas, para producir grandes cantidades de ellos.

14.11.2. Rectificado cilíndrico

En el rectificado cilíndrico, llamado también con centros, se rectifican lassuperficies y escalones cilíndricos externos de la pieza. Entre las aplicacionescaracterísticas están los muñones de cigüeñales, husillos, pernos, pistas de roda-miento y rodillos para laminadora.

La pieza cilíndrica giratoria va y viene a lo largo de su eje. En las rectificado-ras para piezas grandes, la pieza es la que va y viene, y se llama rectificadora derodillos ; puede rectificar rodillos hasta de 1,8 m de diámetro para laminadoras.

En el rectificado cilíndrico, la pieza se sujeta entre los centros, o con morda-zas, o en un plato; también se monta en un plato en el cabezal de la rectificadora.Para las superficies cilíndricas rectas, los ejes de rotación de la piedra y de lapieza son paralelos. Con motores separados se mueven la piedra y la pieza adistintas velocidades. Las piezas largas con dos o más diámetros también seprocesan en rectificadoras cilíndricas. Con el rectificado cilíndrico se puedenproducir formas (rectificado de forma y rectificado de penetración) en donde lapiedra se afila con la forma que se va a rectificar.

Las rectificadoras cilíndricas se identifican por el diámetro y la longitudmáximos de la pieza que pueden trabajar, en forma parecida a los tornos demotor. En las rectificadoras universales los ejes, tanto de la pieza como de lapiedra, se pueden mover e inclinar respecto a un plano horizontal, permitiendorectificar conos y otras formas. Estas máquinas tienen controles computerizadosque reducen la mano de obra y producen partes con exactitud y en forma repe-titiva. Con las funciones de control por computadora se pueden rectificar partesno cilíndricas, como levas, girando las piezas.

El rectificado de roscas se hace en rectificadoras cilíndricas, con piedras afi-ladas especialmente, que coinciden con la forma de las roscas, y también conrectificadoras sin centros. Aunque son costosas, las roscas producidas con rectifi-cado son las más exactas de las obtenidas por cualquier proceso de manufactura,y su acabado superficial es muy fino.

14.11.3. Rectificado interno

En el rectificado interno, se rectifica el interior de la parte con una piedrapequeña, como en el caso de los bujes y pistas de rodamiento. La pieza se sujetaen quijadas rotatorias y la piedra gira a 30000 rpm o más.

14.11.4. Rectificado sin centros

El rectificado sin centros es un proceso para producción a gran escala, dondese rectifican superficies cilíndricas en forma continua. En este proceso, la pieza


no se sostiene entre puntos o centros, ni mediante mordazas, sino mediante unacuchilla o filo. Las partes características que se producen con rectificado sincentros son los rodamientos de rodillos, pernos de pistón, válvulas de motor,levas y componentes parecidos. En este proceso de producción continua no serequiere mucha destreza por parte del operador.

Se pueden rectificar partes con diámetros de hasta 0,1 mm. Hoy, las recti-ficadoras sin centros son capaces de desarrollar velocidades superficiales en laspiedras del orden de 10000 m/min, con piedras de nitruro de boro cúbico.

En el rectificado de paso completo, la pieza se sostiene en un cuchilla y serectifica entre dos piedras. La piedra más grande es la que rectifica, mientrasque la menor regula el movimiento axial de la pieza. La piedra reguladora, aglo-merada con hule, está inclinada y funciona a una velocidad de sólo 1

20de la de

la piedra rectificadora.

Con rectificado sin centros se pueden procesar piezas de diámetros varia-bles, como tornillos, buzos de válvula y ejes de distribuidor. El proceso se llamarectificado de penetración o de avance; el proceso se parece al rectificado de pe-netración o de forma con rectificadora cilíndrica. Las piezas cónicas se rectificansin centros mediante el rectificado de alimentación extrema. Se pueden alcanzarrectificados de roscas con altas producciones con rectificadoras sin centros, conpiedras afiladas especiales.

En el rectificado interno sin centros la pieza se sostiene entre tres rodillosy se rectifica internamente. Entre sus aplicaciones normales están la producciónde partes en forma de buje o camisa, y de anillos.

14.11.5. Otras rectificadoras

Hay disponibles otras rectificadoras para fines especiales. Las rectificadorasuniversales para herramientas y fresas se usan par afilar herramientas y fresasde una o varias puntas, incluyendo brocas. Las rectificadoras de torno, o adita-mentos de rectificar son unidades autosuficientes que se suelen fijar a la torretade herramientas de un torno.

Los esmeriles con bastidor pendular se usan en las fundiciones, para rectifi-car piezas coladas grandes. Al esmerilado burdo de las piezas coladas se le llamadesbaste y se suele hacer en esmeriles de piso con piedras de hasta 0,9 m dediámetro. Los esmeriles portátiles se impulsan en forma neumática o eléctrica,o con un chicote (eje flexible) conectado a un motor eléctrico o de gasolina. Seusan en operaciones para esmerilar las gotas de soldadura y en operaciones detronzado, cizallado o seccionamiento, usando discos abrasivos delgados.

Los esmeriles de banco son para afilar a mano las herramientas o esmerilarpartes pequeñas. Suelen tener dos piedras montadas en los dos extremos del ejede un motor eléctrico. Una piedra suele ser gruesa, para esmerilado de desbaste,y la otra fina, para el acabado. Los esmeriles de pedestal o de pie se colocan en

246 14.11. Métodos y máquinas de rectificado

el piso y se usan casi como los esmeriles de banco.

14.11.6. Esmerilado de avance deslizante

Tradicionalmente, se ha asociado el rectificado con pequeñas velocidades deremoción de material y con operaciones de acabado. Sin embargo, el desgasteabrasivo también se puede usar para operaciones de remoción de metal a granescala (o esmerilado), parecidas al maquinado, brochado y cepillado.

En el esmerilado de avance deslizante, desarrollado a fines de la década de1950, la profundidad de corte d de la piedra es hasta de 6 mm, y la velocidad dela pieza es baja. Las piedras están casi siempre aglomeradas con resina, son degrados suaves y con estructura abierta, para mantener bajas las temperaturasy mejorar el acabado superficial.

Su economía general y posición de competencia respecto a otros procesosde remoción de material indican que el esmerilado con avance deslizante puedecompararse con otros procesos de maquinado y ser económico en aplicacionesespecíficas, como por ejemplo esmerilar punzones formados, cuñeros, canaleshelicoidales de broca, raíces de álabes de turbina y diversas partes complicadasde superaleaciones. Como la piedra se afila en la forma de la pieza que se va aproducir, esa pieza no necesita haberse fresado, conformado ni brochado antes.

14.11.7. Remoción de una gran cantidad de material por rec-tificado

Si se aumentan los parámetros del proceso, se puede usar el rectificadopara remover gran cantidad de material. El proceso puede ser económico enaplicaciones específicas, y competir bien con los procesos maquinado, en especialcon el fresado, aunque también con el torneado y con el brochado. En estaoperación el acabado de la superficie tiene importancia secundaria, y la piedra(o banda) de esmeril se usa a toda su capacidad para obtener un costo mínimopor pieza. Las tolerancias dimensionales en este proceso son del mismo ordenque las que se obtienen con otros procesos de maquinado.

14.11.8. Traqueteo en el rectificado

El traqueteo tiene importancia especial en el rectificado porque afecta enforma negativa el acabado superficial y el rendimiento de la piedra. Las vibra-ciones durante el rectificado se pueden deber a cojinetes, husillos y al uso depiedras desbalanceadas, y también a causas externas, como máquinas cercanas.

Las variables importantes son la rigidez de la máquina herramienta, la rigi-dez de los soportes y sujetadores de pieza y el amortiguamiento. Otros factoresque son exclusivos del traqueteo en el rectificado son falta de uniformidad en lapiedra, desgaste desparejo de la misma y las técnicas de afilado que se empleen.


Dado que estas variables causan las marcas de traqueteo características enlas superficies rectificadas, con frecuencia, al estudiar esas marcas se puede llegara la fuente del problema. Se han establecido lineamientos generales para reducirla tendencia al traqueteo en el rectificado, como por ejemplo: usar piedras degrado suave, afilarlas con frecuencia, cambiar las técnicas de afilado, reducir larapidez de remoción del material y soportar rígidamente la pieza.

14.11.9. Seguridad en las operaciones de rectificado

Como las piedras de esmeril y de rectificado son frágiles y giran a grandesvelocidades, se deben seguir con cuidado ciertos procedimientos para manejarlas,almacenarlas y usarlas. Los daños a una piedra pueden reducir mucho su veloci-dad de explosión o de desintegración, que se define como la velocidad superficiala la cual se desintegra o explota una piedra en rotación libre.

La velocidad de explosión depende del tipo de piedra, su aglomerante, gra-do y estructura. En las ruedas de diamante y de nitruro de boro cúbico, quetrabajan a grandes velocidades superficiales, el tipo de material de núcleo deellas afecta a la velocidad de explosión; como es lógico, los núcleos metálicostienen la máxima velocidad de explosión, del orden de unos 250 m/s.

Las piedras se deben montar en husillos del tamaño correcto para que noestén forzadas —con lo que se podrían romper en su centro— ni flojas —lo quepuede causar desbalanceo—. Las piedras abrasivas se deben usar de acuerdo consus especificaciones y velocidades máximas de operación, y no se deben dejarcaer ni someterlas a condiciones drásticas.

14.12. Fluidos de rectificado

Las funciones de los fluidos de rectificado son parecidas a las de los fluidosde corte. Aunque el rectificado otros procedimientos de eliminación abrasiva sepueden efectuar en seco, es importante usar un fluido. Éste evita el aumento detemperatura en la pieza y mejora su acabado superficial y exactitud dimensional.También mejoran la eficiencia de la operación porque reducen el desgaste y lacarga en la piedra, y bajan el consumo de potencia.

Los fluidos de rectificado son normalmente emulsiones acuosas para el rec-tificado general, y aceites para el rectificado de roscas. Pueden aplicarse comoun chorro o como niebla, que es una mezcla de fluido y aire. Por las grandesvelocidades superficiales que existen, una corriente o cortina de aire en torno ala periferia de la piedra evita en muchos casos que el fluido llegue a la interfaseentre piedra y pieza.

La temperatura de los fluidos de rectificado a base de agua puede aumentarmucho al sacar el calor de la zona de trabajo. En consecuencia, la pieza se puededilatar y hacer difícil el control de las tolerancias dimensionales. El métodocomún para mantener temperaturas uniformes en la pieza es usar sistemas de

248 14.13. Consideraciones de diseño para el rectificado

refrigeración a través de los cuales se hace circular el fluido.

14.13. Consideraciones de diseño para el rectifi-cado

Las consideraciones de diseño para el rectificado se parecen a las del ma-quinado. Además, se debe prestar atención a los siguientes puntos:

– Las partes a rectificar deben diseñarse en tal forma que se puedan sujetarcon firmeza, ya sea entre quijadas, mesas magnéticas o soportes y suje-tadores adecuados. Si no es así, las piezas delgadas, rectas o tubulares sepueden flexionar durante la operación.

– Si se requiere gran exactitud dimensional, se deben evitar las superficiesinterrumpidas, como orificios y cuñeros, porque pueden causar vibraciones.

– En el rectificado cilíndrico, las partes deben estar balanceadas y se debenevitar los diseños largos y esbeltos, para reducir las flexiones al mínimo.Los biseles y radios de transición deben ser tan grandes como sea posible,o se debe suministrar desahogo antes de maquinarlos.

– En el rectificado sin centro se puede dificultar el trabajo exacto con pie-zas cortas, por falta de soporte en la cuchilla. En el rectificado de pasocompleto sólo se puede tallar el diámetro máximo.

– Se deben simplificar los diseños que requieran rectificado exacto de forma,para evitar afilados frecuentes de piedra.

– Se deben evitar los orificios profundos y pequeños, y los orificios ciegosque requieran rectificado interno, o bien deben tener un desahogo.

14.14. Maquinado ultrasónico

En el maquinado ultrasónico se quita material de una superficie por miro-desportillado y erosión con granos abrasivos finos en un lodo o pulpa. La puntade la herramienta (sonotrodo) vibra a una frecuencia de 20 kHz y baja ampli-tud. Esta vibración, a su vez, imparte una gran velocidad a los granos abrasivosentre la herramienta y la pieza.

La punta de la herramienta, fija a un trasductor mediante el portaherra-mienta, suele ser de acero suave y sufre desgaste. Se requiere una herramientaespecial para cada forma que se va a producir. Los granos son en general decarburo de boro, aunque también se usan de óxido de aluminio o de carburo desilicio. El maquinado ultrasónico se adapta mejor a materiales duros y frágiles,como las cerámicas, carburos, piedras preciosas y aceros endurecidos.


Maquinado ultrasónico rotatorio En este proceso el lodo abrasivo se sustituyepor una herramienta con abrasivos de diamante aglutinados con metal, impreg-nada o electrodepositada en la superficie de la herramienta. Esta herramienta sehace girar y vibrar ultrasónicamente, y contra ella se recarga la pieza con unapresión constante.

Consideraciones de diseño Los lineamientos de diseño para el maquinado ul-trasónico comprenden los siguientes:

– Evitar perfiles agudos, esquinas y radios pequeños, porque el lodo abrasivolos erosiona.

– Esperar que en los orificios este proceso producirá algo de conicidad.

– Para evitar el desportillamiento de materiales frágiles en el lado de salida,al producir orificios pasantes, soportar el fondo de las partes con una placade respaldo.

14.15. Operaciones de acabado

14.15.1. Abrasivos recubiertos

Como ejemplos característicos de los abrasivos recubiertos están los papelesde lija y de esmeril, con granos más puntiagudos que los que tienen las piedrasabrasivas. La mayor parte de los abrasivos recubiertos son de óxido de aluminio,y el resto son de carburo de silicio y de circonio y alúmina. Suelen tener unaestructura mucho más abierta que los abrasivos en las piedras.

Los granos se depositan electrostáticamente sobre los materiales flexibles derespaldo, como papel, algodón, poliéster rayón, polinailon y diversas combinacio-nes de estos materiales, con sus ejes longitudinales perpendiculares al plano delrespaldo. La matriz (recubrimiento) es de resinas. Entre los desarrollos recientesestá el empleo de varias capas de abrasivos, en especial para bandas.

Lijado con banda Los abrasivos recubiertos se usan también en forma de ban-das para remoción rápida de material con buen acabado superficial. El lijadocon banda ha llegado a ser un proceso importante de producción, y en algunoscasos sustituye al rectificado convencional. Se usan números de grano del 16 al1500. Las velocidades de banda están normalmente entre 700 y 1800 m/min. Lasmáquinas para operaciones con banda abrasiva requieren un respaldo adecuadode la banda y tienen construcción rígida para minimizar las vibraciones.

Los abrasivos recubiertos convencionales tienen en su superficie granos encolocación aleatoria. Un desarrollo reciente es la microrréplica, en donde losabrasivos, en forma de diminutas pirámides de óxido de aluminio, se colocan en

250 14.15. Operaciones de acabado

un orden predeterminado sobre la superficie de la banda. Se usan en aceros ino-xidables y superaleaciones, su desempeño es más consistente, y las temperaturasque desarrollan son menores.

14.15.2. Cepillos de alambre

En el proceso de cepillado de alambre, la pieza se recarga contra un cepillode alambre redondo, que gira a alta velocidad. Las puntas de alambre produ-cen rayaduras longitudinales en la superficie de la pieza. Este proceso es paraproducir una textura fina en la superficie. En la actualidad, se trata de que elcepillado de alambre sea un proceso de remoción ligera de material.

14.15.3. Honeado

El honeado o asentado es una operación que se usa principalmente paradar a los orificios un acabado superficial fino. La herramienta de asentar, uhona, consiste en un conjunto de abrasivos aglomerados de óxido de aluminioo carburo de silicio llamados piedras. Están montados en un mandril que giraen el agujero y aplica una fuerza radial con movimiento axial de vaivén. Estaacción produce un rayado cruzado. Las piedras se pueden ajustar radialmentepara distintos tamaños de orificios. El asentado también se efectúa en superficiescilíndricas externas o planas, para eliminar filos agudos en las herramientas decorte e insertos.

La finura del acabado superficial se puede controlar con el tipo y tamaño deabrasivo usado, la presión aplicada y la velocidad. Las velocidades superficialesvan desde unos 45 m/min hasta 90 m/min. Se usa un fluido para eliminarlas virutas y mantener bajas las temperaturas. Si no se hace bien, el asentadopuede producir orificios que ni son rectos ni cilíndricos, sino que poseen formasabocardadas, onduladas, abarriladas o cónicas. En otro proceso de honeado,llamado superacabado, la presión aplicada es muy poca y el movimiento de lapiedra tiene carrera corta.

14.15.4. Lapeado

El lapeado es una operación de acabado de superficies planas o cilíndricas.La plancha de lapear suele ser de hierro colado, cobre, cuero o tela. Las partí-culas abrasivas están embebidas en ella, o pueden ser arrastradas por un lodo.Dependiendo de la dureza de la pieza, las presiones de lapeado van de 7 a 140kPa. Las tolerancias dimensionales son del orden de ±0,0004 mm y se puedenobtener usando abrasivos finos de tamaño de grano de hasta 900. El acabadosuperficial puede tener una lisura de hasta 0,1 µm.

El lapeado de producción en piezas planas o cilíndricas se hace en máquinasespecíficas. También se hace sobre superficies curvas, como por ejemplo objetosesféricos y lentes de vidrio con planchas de formas especiales. El asentado de los


engranajes compañeros se puede hacer por lapeado.

14.15.5. Pulido

El pulido es un proceso que produce un acabado de superficie liso y lustroso.En este proceso intervienen dos mecanismos básicos: remoción abrasiva a escalafina, y suavizado y extendido de capas superficiales por calentamiento de friccióndurante el pulido. La apariencia brillante de las superficies pulidas se debe a laacción de extendido.

El pulido se hace con discos o bandas de tela, cuero o fieltro, recubiertoscon un polvo fino de óxido de aluminio o diamante.

14.15.6. Pulido químico mecánico

El pulido químico mecánico es un proceso en el que una superficie quími-camente reactiva se pule con lodo de cerámica en una solución de hidróxido desodio. Una aplicación importante de este proceso es el pulido de obleas de silicio.

14.15.7. Electropulido

Se pueden obtener superficies especulares en metales por electropulido, pro-ceso inverso a la electrodeposición. Como no hay contacto mecánico con la pieza,esta proceso se adapta en especial para formas irregulares.

14.15.8. Procesos de pulido con campos magnéticos

Un desarrollo más reciente en el pulido consiste en usar campos magnéticospara sostener lodos abrasivos en el pulido de bolas de cerámica y de rodillospara rodamientos.

El pulido magnético en flotación de bolas de cerámica consiste en lo siguien-te: un fluido magnético, que contiene granos abrasivos y partículas ferromagné-ticas en un medio extremadamente portante como agua o queroseno, llena unacámara dentro de un anillo de guía. Las bolas de cerámica están entre un eje deimpulsión y un flotador. Los granos abrasivos, las bolas de cerámica y el flotador(fabricado con un material no magnético) están suspendidos todos por fuerzasmagnéticas. Las bolas se oprimen contra el eje de impulsión magnético, y sonpulidas por la acción abrasiva.

Las fuerza que aplican las partículas abrasivas sobre las bolas son extrema-damente pequeñas y controlables, por lo que la acción de pulido es muy fina.Como los tiempos de pulido son mucho menores que en otros métodos de pulido,el proceso es muy económico y las superficies producidas tienen pocos (si es quelos tienen) defectos importantes.

252 14.16. Desbarbado

El pulido asistido con campo magnético de los rodillos de cerámica, por suparte, consiste en lo siguiente: un rodillo de cerámica o de acero (la pieza) sesujeta en un husillo y se hace girar. Los polos magnéticos se hacen oscilar yse introduce un movimiento vibratorio en el conglomerado magnético-abrasivo.Esta acción pule la superficie cilíndrica del rodillo. Con este proceso se hanacabado a espejo rodillos de rodamientos de 63 HR en 30 segundos.

14.15.9. Abrillantado

El abrillantado se parece al pulido, con la excepción de que se usan abra-sivos muy finos sobre discos suaves de tela o de piel. El abrasivo se suministraexternamente con un lápiz de compuesto abrasivo. Las partes pulidas se puedenlustrar después, para obtener un acabado superficial todavía más fino.

14.16. Desbarbado

Las rebabas o barbas son montículos delgados, por lo general de perfil trian-gular, que se forman en los bordes de una pieza debido al maquinado, al cizalladode láminas y en el recorte de forjas y piezas fundidas. Las rebabas pueden in-terferir con el ensamble de las partes y pueden ocasionar atascamientos de lasmismas, desalineamientos y cortocircuitos en componentes eléctricos. Además,las rebabas pueden reducir la vida de los componentes a la fatiga. Como sue-len ser filosas, pueden constituir riesgos de seguridad para el personal. Por otraparte, las rebabas en los componentes delgados, taladrados o machuelados, co-mo en las diminutas piezas de los relojes, pueden aumentar su espesor y, enconsecuencia, mejorar el par de sujeción de los tornillos.

De forma tradicional, las rebabas se han quitado manualmente, proceso quepuede ocupar hasta el diez por ciento del costo de manufactura de la parte. Sepuede reducir la necesidad del desbarbado o eliminación de rebabas si se agreganbiseles a las aristas agudas de las piezas y si se controlan los parámetros deprocesamiento.

Se dispone de varios procesos de desbarbado: manual, mecánico, cepilladode alambre o con cepillos rotatorios de nailon, por bandas abrasivas, maquinadoultrasónico, electropulido, maquinado electroquímico, acabado abrasivo magné-tico, acabado vibratorio, chorro o soplado con abrasivos, maquinado con flujoabrasivo y maquinado con energía térmica, como láseres o plasma.

Veamos con cierto detenimiento los últimos cuatro:

– Los procesos de acabado vibratorio y tamborado son para mejorar el aca-bado superficial y quitar las rebabas de grandes cantidades de piezas rela-tivamente pequeñas. En esta operación intermitente, se colocan pastillasabrasivas de forma especial en un recipiente, junto con las partes por des-barbar.


– En el chorro de abrasivos, las partículas abrasivas, que generalmente sonarena, se impulsan con un chorro de aire a alta velocidad, o con una ruedagiratoria, sobre la superficie de la pieza. El chorro de abrasivos se usa enespecial para desbarbar materiales metálicos y no metálicos y en la elimi-nación o limpieza de óxidos superficiales. La superficie producida tiene unacabado mate. También se puede hacer pulido y ataque en pequeña escalacon este proceso, en unidades de banco (chorro de microabrasivos).

– En el maquinado con flujo abrasivo, los granos abrasivos como carburode silicio o diamante se mezclan con una matriz como de mastique, quea continuación se impulsa en vaivén a través de las aberturas y venas enla pieza. El movimiento de la matriz abrasiva a presión erosiona y quitatanto rebabas como esquinas agudas, y lustra la parte.

– El método de energía térmica para desbarbar consiste en colocar la parteen una cámara donde a continuación se inyecta una mezcla de gas naturaly oxígeno. Cuando esta mezcla se enciende se produce una onda de calor detemperatura de 3300◦C. Las rebabas se calientan en forma instantánea, sefunden y se retiran, mientras que la temperatura de la parte sólo alcanzaunos 150◦C.

Desbarbado robotizado El desbarbado y rebabeado de productos terminadosse hace cada vez más con robots programables, con un sistema de retroalimen-tación forzada en el control.

14.17. Economía de las operaciones de rectifica-do y acabado

Como es una operación adicional, en el rectificado aumenta bastante el costodel producto. Por otra parte, el esmerilado con avance deslizante ha demostradoser una alterativa económica de operaciones de maquinado como fresado, aunqueel desgaste de la piedra es grande.

Tema 15

Automatización de los

procesos de fabricación

15.1. Introducción

Hasta los primeros años de la década de los cincuenta, la mayor parte de lasoperaciones de manufactura eran efectuadas con maquinaria tradicional comotornos, fresadoras y prensas, que carecían de flexibilidad y necesitaban de mu-cha mano de obra especializada. El desarrollo de nuevos productos y de piezascon formas complicadas requería muchas pruebas por parte del operador paraestablecer los parámetros de procesamiento adecuados en la máquina. Además,por la intervención humana, era difícil y lento fabricar piezas que fueran exac-tamente iguales.

Estas circunstancias indicaban que por lo común los métodos de proce-samiento eran ineficientes y que los costos de mano de obra eran una parteimportante de los costos generales de producción.

¿Cómo se podía mejorar la productividad? La mecanización de la maqui-naria y las operaciones había alcanzado, en forma abrumadora, un pico en ladécada de 1940. El siguiente paso en la mejora de la eficiencia de las operacio-nes manufactureras fue la automatización. Se acuñó la palabra automatizacióna mediados de la década de los cuarenta, en la industria automotriz estadou-nidense, para indicar el manejo y procesamiento automáticos de las piezas enlas máquinas de producción. Durante las cuatro décadas pasadas han ocurridograndes avances e innovaciones en los tipos y el grado de automatización, quefueron posibles principalmente gracias a los rápidos avances en la capacidad ysofisticación de las computadoras y los sistemas de control.

15.2. Automatización

Se define la automatización, por lo general, como el proceso de hacer quelas máquinas sigan un orden predeterminado de operaciones con poca o ningu-

256 15.2. Automatización

na mano de obra, usando equipo y dispositivos especializados que ejecutan ycontrolan los procesos de manufactura.

La automatización es un proceso evolutivo, más que revolucionario. En lasplantas manufactureras, la automatización se ha implantado bien en las siguien-tes áreas básicas de actividad:

– Procesos de manufactura. Las operaciones de maquinado, forjado, extru-sión en frío, colado y rectificado son ejemplos característicos de procesosque se han automatizado extensamente.

– Manejo de materiales. Los materiales y las piezas en varias etapas deacabado se mueven por la planta mediante equipo controlado por compu-tadora, sin conducción humana.

– Inspección. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para compro-bar su calidad, precisión dimensional y acabado superficial, ya sea cuandose fabrican (inspección en proceso) o después de terminadas (inspecciónpostproceso).

– Ensamblaje. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan enforma automática para formar subensambles y, por último, el producto.

– Empaquetamiento. Los productos se empaquetan de forma automática.

15.2.1. Evolución de la automatización

Algunos procesos de conformado metálico se inventaron antes del año 4000a.C. Sin embargo, no fue hasta el inicio de la Revolución Industrial —concreta-mente, en la década de 1750— cuando comenzó a introducirse la automatizaciónen la producción de mercancías. Las máquinas herramientas, como tornos re-vólver, máquinas automáticas de tornillo y equipos automáticos de botellas, sedesarrollaron a finales de la década de 1890 y a comienzos de la de 1900. Enla década de 1920, se desarrollaron las técnicas de producción en masa y lasmáquinas de transferencia.

Estas máquinas tenían mecanismos automáticos fijos y se diseñaban parafabricar productos específicos. Estos desarrollos se plasmaron mejor en la indus-tria automotriz, que fue capaz de producir grandes cantidades de automóviles abajo coste.

Pero el gran avance en la automatización comenzó con el control numérico(cn) de las máquinas herramientas a comienzos de 1950. A partir de este histó-rico desarrollo se ha avanzado con rapidez en la mayor parte de los aspectos dela manufactura. Estos aspectos implican la introducción de las computadoras enla automatización, el control numérico computerizado (cnc), el control adapta-ble (ca), los autómatas industriales y los sistemas de manufactura integradospor computadora (mci), que incluyen el diseño, la ingeniería y la manufacturaasistidos por computadora (cad, cae y cam).

15. Automatización de los procesos de fabricación 257

15.2.2. Objetivos de la automatización

La automatización posee como principales objetivos los siguientes:

– Integrar diversos aspectos de las operaciones de manufactura para mejorarla calidad y la uniformidad del producto, minimizar los tiempos de cicloy esfuerzos y, con ello, reducir los costos de mano de obra.

– Mejorar la productividad, reduciendo los costos de manufactura a travésdel mejor control de la producción. Las piezas se cargan, alimentan ydescargan de las máquinas con más eficiencia; las máquinas se usan conmás eficacia y la producción se organiza con más eficiencia.

– Mejorar la calidad, empleando procesos más repetibles.

– Reducir la intervención humana, el aburrimiento y la posibilidad de errorhumano.

– Reducir los daños a las piezas, causados por el manejo manual de laspartes.

– Aumentar el nivel de seguridad para el personal, en especial bajo condi-ciones de trabajo peligrosas.

– Economizar espacio en la planta manufacturera, arreglando de forma máseficiente las máquinas, el movimiento de materiales y el equipo auxiliar.

Automatización y cantidad de producción El volumen de producción es cru-cial para determinar el tipo de maquinaria y el grado requerido de automatiza-ción para producir piezas en forma económica.

La cantidad total producida se define como el número total de partes porfabricar. Esta cantidad se puede producir en lotes individuales de diversos tama-ños de lote. El tamaño de lote influye mucho en la economía de la producción.

Se pueden fabricar pequeñas cantidades anuales en los talleres, usando di-versas máquinas herramientas estándar, de propósito general (máquinas inde-pendientes) o centros de maquinado. Estas operaciones tienen gran variedad enlas piezas, i.e., se pueden producir partes distintas en poco tiempo sin muchoscambios de herramienta y de operaciones de producción. Por otro lado, la ma-quinaria en los talleres requiere, en general, mano de obra especializada, y larapidez y cantidad de producción son bajas; en consecuencia, el costo por cadaparte puede ser muy considerable.

La producción de piezas componentes suele implicar cantidades muy peque-ñas y es adecuada en los talleres. La mayor parte de la producción de pieza yparte es en tamaños de lote de cincuenta o menos. En la producción en lotes pe-queños, las cantidades suelen ser de entre diez y cien, y en ella se usan máquinasy centros de maquinado de propósito general, con diversos controles compu-terizados. La producción en lotes suele conllevar tamaños de lote entre 100 y5000, usa maquinaria parecida a la de la producción en lotes pequeños, pero consoportes de diseño especial para obtener una mayor velocidad de producción.

258 15.2. Automatización

La producción en masa implica cantidades que con frecuencia son mayo-res que 100000; requiere maquinaria de propósito especial (máquinas dedicadaso especializadas) y equipo automatizado para transferir materiales y partes.Aunque la maquinaria, equipo y herramientas especializadas son costosos, ladestreza y los costos requeridos en la mano de obra suelen ser relativamentebajos, por el alto nivel de automatización. Sin embargo, esos sistemas de pro-ducción se organizan para una clase específica de productos, por lo que carecende flexibilidad.

15.2.3. Aplicaciones de la automatización

Se puede aplicar la automatización a la manufactura de todo tipo de bie-nes, desde materias primas hasta productos terminados y en todos los tipos deproducción, desde talleres hasta grandes instalaciones manufactureras.

Debido a que la automatización suele implicar altos costos iniciales de equi-po y requiere un conocimiento de los principios de operación y mantenimiento,la decisión de implementar aun bajos niveles de automatización debe implicarun análisis cuidadoso de las necesidades reales de una organización. En muchoscasos es conveniente la automatización selectiva, y no la automatización totalde una instalación. En general, mientras mayor sea el nivel de mano de obra dis-ponible, la necesidad de automatización se reduce, siempre y cuando los costosde mano de obra se justifiquen y haya disponibles trabajadores suficientes.

15.2.4. Automatización rígida

En la automatización rígida (hard automation), o automatización de posi-ción fija, se diseñan las máquinas para producir un artículo normalizado, comopor ejemplo un monoblock, una válvula, un engranaje o un husillo. Aunqueel tamaño del producto y los parámetros de procesamiento (como velocidad,avance y profundidad del corte) se pueden cambiar, esas máquinas son especia-lizadas y carecen de flexibilidad. No se pueden modificar en grado apreciablepara procesar productos que tengan distintas formas y dimensiones. Como esasmáquinas son de diseño y construcción costosos, para usarlas en forma econó-mica se necesita producir en muy grandes cantidades.

Las máquinas que se usan en aplicaciones de automatización dura se suelenconstruir con el principio modular o de bloque constructivo. Se llaman en generalmáquinas de transferencia y consisten en dos partes principales: unidades deproducción de cabezal motorizado y mecanismos de transferencia.

Unidades de producción de cabezal motorizado Consisten en un bastidor obancada, motores, cajas de engranajes y husillos para herramienta, y son auto-contenidas. Sus componentes se consiguen en el mercado en diversos tamaños ycapacidades normalizadas; por su modularidad inherente se pueden reagruparcon facilidad para producir partes diferentes, por lo que tienen cierta adaptabi-lidad y flexibilidad.


Las máquinas de transferencia formadas por dos o más unidades de cabezalmotorizado se pueden arreglar en modelos de línea recta, circular o en U, sobreel piso del taller. El peso y la forma de las piezas influye sobre el arreglo quese seleccione. Este arreglo también es importante para tener continuidad de laoperación en caso de que falle una herramienta o una máquina, en una o más delas unidades. En estas máquinas se incorporan funciones de colchón (buffer) dealmacenamiento para permitir la operación continua cuando se presentan estoscasos.

Mecanismos de transferencia y líneas de transferencia Las piezas se trans-fieren con diversos métodos: rieles sobre los que se empujan o jalan las piezas,comúnmente sobre palés, mediante diversos mecanismos; mesas rotatorias inde-xadas, y transportadores aéreos.

La transferencia de piezas de una estación a otra se suele controlar consensores y otros dispositivos. Las herramientas, en las máquinas de transferencia,se pueden cambiar con facilidad, en portaherramientas con funciones de cambiorápido, y se puede equipar a esas máquinas con diversos sistemas de medición einspección.

15.2.5. Automatización flexible o programable

Hemos visto que la automatización no flexible (hard automation) suele im-plicar máquinas de producción en masa que carecen de flexibilidad. En la softautomation (automatización flexible o programable) se alcanza más flexibilidadpor el uso de control computerizado de la máquina y de sus funciones, condiversos programas.

La automatización flexible es un desarrollo importante, porque la máquinase puede programar con facilidad y rapidez para que produzca una pieza conforma o dimensiones distintas de las que acaba de producir. Por esta carac-terística, la automatización programable o flexible puede producir piezas conformas complicadas. Entre otros avances de la automatización flexible están eluso extenso de computadoras modernas, que condujo al desarrollo de sistemasflexibles de manufactura o de manufactura flexible, con elevadas eficiencias yproductividades.

15.2.6. Controladores programables

El control de un proceso de manufactura en la secuencia adecuada, en es-pecial uno que comprenda grupos de máquinas y de equipo de manejo de mate-riales, se ha efectuado de forma tradicional con temporizadores, interruptores,relevadores, contadores y componentes parecidos, de conexión permanente, ba-sados en principios mecánicos, electromecánicos y neumáticos. A partir de 1968se introdujeron los controladores lógicos programables (plc, programmable logiccontroller), o controladores de lógica programable.

260 15.3. Control numérico

Un controlador lógico programable es un aparato electrónico digital queusa una memoria programable para almacenar internamente instrucciones paraimplementar funciones específicas, como lógica, secuencia, sincronización, con-teo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos digitales oanalógicos de entrada y salida, diversas clases de máquinas o procesos.

Como los controladores lógicos programables eliminan la necesidad de usartableros de control con relevadores, y como se pueden programar usan menosespacio, se han adoptado ampliamente en los sistemas y operaciones de manu-factura. Sus funciones básicas son encender y apagar, movimiento, operacionessecuenciales y control con retroalimentación. También se usan para controlarsistemas, con funciones de procesamiento digital en alta velocidad y en comuni-caciones.

Actualmente los controladores lógicos programables, en cualquier caso, seemplean cada vez menos en las instalaciones nuevas, debido al progreso en lasmáquinas de control numérico, pero siguen representando una base muy grandede instalaciones. Hoy existe una tendencia creciente hacia el uso de microcompu-tadoras en lugar de controladores lógicos programables, porque éstas son menoscostosas, más fáciles de programar y más fáciles de conectar.

15.2.7. Mantenimiento total productivo

La administración y el mantenimiento de una gran variedad de máquinas,equipos y sistemas son de los aspectos más importantes que afectan a la pro-ductividad de una organización manufacturera. Los conceptos de mantenimientototal productivo y de administración total de equipo productivo se están desarro-llando actualmente.

Estos conceptos incluyen el análisis continuo de factores tales como: pro-blemas del equipo, vigilancia y mejora de su productividad, implementación demantenimiento preventivo y predictivo, reducción del tiempo de preparación,del tiempo muerto y del tiempo de ciclo; uso total de la maquinaria y el equipoy mejora de su eficacia, así como la reducción de los defectos del producto. Porejemplo, el trabajo en equipo, implementado por grupos de acciones de mejoracontinua, es un componente importante de la actividad e implica la cooperacióntotal de los operadores de máquina, el personal de mantenimiento, los ingenierosy la administración de la empresa.

15.3. Control numérico

El control numérico es un método para controlar los movimientos de laspartes de las máquinas, insertando en forma directa al sistema instruccionescodificadas. El sistema interpreta de forma automática esos datos y los convierteen señales de salida. A su vez, esas señales controlan varios componentes de lamáquina.


En operaciones efectuadas por control numérico, los datos relacionados contodos los aspectos de la operación de maquinado, como ubicaciones, velocidades,avances y fluidos de corte se pueden guardar en medios magnéticos y cambiarlosde cintas a discos duros. El concepto del control numérico es que se pueda enviarinformación específica desde estos dispositivos de almacenamiento al tablero decontrol de la máquina herramienta.

El control numérico tuvo un gran impacto en todos los aspectos de las opera-ciones manufactureras. Hoy se usan mucho las máquinas de control numérico enproducciones de pequeñas a medianas de una gran variedad de partes, tanto entalleres pequeños como en grandes instalaciones manufactureras. La maquinariavieja u obsoleta puede ser adaptada para trabajar con control numérico.

15.3.1. Antecedentes históricos

El concepto básico del control numérico fue implementado a comienzos delsiglo xix, cuando se usaban tarjetas perforadoras de lámina metálica para con-trolar en forma automática los movimientos de las máquinas tejedoras. Las agu-jas se activaban al sentir la presencia o ausencia de la perforación en la tarjeta.A este invento siguió el del piano automático, en el que las teclas se activabancon aire que pasa por orificios perforados en un rollo de papel.

El principio para controlar numéricamente los movimientos de las máquinasherramientas lo concibió J. Parsons por primera vez en la década de 1940, altratar de maquinar piezas complicadas para helicópteros. El primer prototipode máquina con control numérico se construyó en 1952, en el mit. Era unafresadora copiadora en dos ejes con husillo vertical, adaptada con servomotores;las operaciones que hacía eran de fresado lateral y de careado en una placagruesa de aluminio.

Los datos numéricos que serían perforados en las cintas de papel se gene-raban con una computadora digital, otro invento que se desarrollaba al mismotiempo en el mit. En los experimentos, se maquinaron bien, con precisión yrepetibilidad las piezas, sin intervención de un operador. Sobre la base de esteéxito, la industria de las máquinas herramientas comenzó a diseñar, construir yvender máquinas con control numérico. Después, estas máquinas se equiparoncon controles numéricos por computadora, alcanzando una mayor flexibilidad,precisión, versatilidad y facilidad de operación.

15.3.2. Control numérico computerizado

En el siguiente paso del desarrollo del control numérico, los componentesde control se convirtieron en control local computerizado mediante programas.Se desarrollaron dos clases de sistemas computerizados: los de control numéricodirecto y los de control numérico por computadora.

En el control numérico directo (dnc, direct numerical control), tal como seconcibió y desarrolló originalmente en la década de 1960, se controlan varias


máquinas en forma directa, paso a paso, mediante una computadora central. Eneste sistema, el operador tiene acceso a la computadora central a través de unaterminal remota. De esta forma se eliminan el manejo de cintas y la necesidad detener una computadora en cada máquina. Con el control puede vigilarse el estadode todas las máquinas en una instalación manufacturera, y se puede evaluar enla computadora central. Sin embargo, tiene una desventaja fundamental: si lacomputadora se apaga, todas las máquinas quedan inoperables.

Una definición más reciente del control numérico directo ha sido el controlnumérico distribuido (dnc, distributed numerical control); este consiste en usaruna computadora central como sistema de control que gobierna varias máquinasde control numérico computerizado que tienen sus propias microcomputadoras.Este sistema permite contar con gran memoria y capacidad de cómputo, y ofreceflexibilidad mientras que supera la desventaja del control numérico directo.

El control numérico computerizado es un sistema en el que una microcom-putadora de control es parte integral de la máquina o de un equipo (con com-putadora o controlador industrial integrado). El programador puede prepararel programa para una pieza en un lugar o espacio remoto, y puede incorpo-rar información obtenida de programas de dibujo técnico y de simulaciones demaquinado, para asegurar que no haya errores.

Debido a la disponibilidad de computadoras pequeñas con gran memoria,microprocesadores y funciones de edición de programa, los sistemas de controlnumérico computerizado se usan mucho en la actualidad.

Algunas ventajas del control numérico computerizado sobre el convencionalson las siguientes:

– Mayor flexibilidad : la máquina puede producir una pieza específica, y des-pués otras piezas con distintas formas, a un coste reducido.

– Mayor precisión: las computadoras tienen mayor velocidad de muestreo yfuncionan más rápidamente.

– Mayor versatilidad es más sencillo editar y corregir programas, reprogra-mar, graficar e imprimir la forma de la pieza.

15.3.3. Principios de las máquinas con control numérico

Los elementos funcionales en el cn y sus componentes son:

– Entrada de datos : la información numérica se lee y se guarda en un lectorde cinta o en la memoria de la computadora.

– Procesamiento de datos : los programas pasan a la unidad de control de lamáquina para su procesamiento.

– Salida de datos : esta información se traduce en comandos —en formacaracterística, comandos de impulso— al servomotor. A continuación, éste


mueve la mesa hasta posiciones específicas mediante movimientos linealeso rotatorios, por medio de motores de pasos, tornillos de avance y diversosdispositivos.

Tipos de circuitos de control Una máquina de control numérico se puedecontrolar mediante dos tipos de circuitos: de lazo abierto y de lazo cerrado. Enel sistema de lazo abierto, el controlador manda señales al servomotor, pero nose comprueba la precisión de los movimientos y las posiciones finales de la mesa.

En sistema de lazo cerrado tiene varios trasductores, sensores y contado-res que miden con precisión la posición de la mesa. Mediante el control conretroalimentación, se compara la posición de la mesa con la señal.

La medición de posición en máquinas con control numérico puede realizarsea través de métodos directos o indirectos. En los sistemas de medición directa, undispositivo sensor lee una escala graduada en la mesa de la máquina o correderapara movimiento lineal. Este sistema es el más exacto porque la escala estáconstruida en la máquina misma, y el retroceso —el juego entre dos dientes deengranaje adyacentes o acoplados— en los mecanismos no es importante.

En sistemas de medición indirecta unos codificadores o encoders rotatoriosconvierten movimientos rotatorios a movimientos de traslación. En este sistemael juego entre las partes de la máquina puede afectar mucho la posición demedida. Los mecanismos de retroalimentación de posición usan varios sensoresque se basan, principalmente, en principios magnéticos y fotoeléctricos.

15.3.4. Tipos de sistemas de control

Hay dos tipos básicos de sistemas de control numérico:

– En un sistema de punto a punto, también denominado de posicionamiento,cada eje de la máquina se impulsa por separado con sinfines y, dependien-do del tipo de operación, a diferentes velocidades. La máquina se mueveal principio con velocidad máxima, para reducir el tiempo improductivo,pero se desacelera cuando la herramienta se acerca a su posición definidanuméricamente. Así, en una operación como el taladrado, el posiciona-miento y el corte se hacen en forma secuencial.

Después de perforar o punzonar el orificio, la herramienta se retrae haciaarriba y se mueve con rapidez a otra posición, y la operación se repite. Latrayectoria de una posición a otra sólo es importante desde un punto devista: se debe elegir para minimizar el tiempo de recorrido, con el fin deaumentar la eficiencia. Los sistemas punto a punto son usados principal-mente en el taladrado, punzonado y operaciones de fresado recto.

– En un sistema de contorno —también denominado sistema de trayectoriacontinua, el posicionamiento y las operaciones son realizadas a lo largo detrayectorias controladas, pero a distintas velocidades. Como la herramien-ta funciona al mismo tiempo que se desplaza a lo largo de una trayectoria


predefinida, son importantes el control exacto y la sincronización de las ve-locidades y los movimientos. El sistema de contorno es típicamente usadoen tornos, fresadoras, rectificadoras, soldadoras y centros de maquinado.

Interpolación El movimiento a lo largo de la trayectoria (interpolación) sehace en forma incremental mediante alguno de los diversos métodos básicos.En toda interpolación, la trayectoria que se controla es la del centro de rotaciónde la herramienta. En el programa de control numérico es posible compensar losdistintos tipos de herramienta, sus distintos diámetros o su desgaste durante elmaquinado.

– En la interpolación lineal, la herramienta se mueve en línea recta de prin-cipio a fin en dos o tres ejes. Teóricamente, con este método puede pro-ducirse todo tipo de perfiles, haciendo pequeños los incrementos entre lospuntos. Sin embargo, para hacerlo es necesario procesar una gran cantidadde datos.

– En la interpolación circular, los datos iniciales necesarios para la trayecto-ria son las coordenadas de los puntos extremos, las del centro del círculoy la dirección de la herramienta a lo largo de un arco.

– En la interpolación parabólica y en la interpolación cúbica, la trayectoriaes aproximada mediante curvas con ecuaciones matemáticas de orden su-perior. Este método es eficaz en máquinas con cinco ejes y es muy útilen operaciones de broquelado profundo, para conformado de láminas decarrocerías de automóvil. Estas interpolaciones se usan también para losmovimientos de los robots industriales.

15.3.5. Precisión en el control numérico

La precisión de posicionamiento en las máquinas de control numérico se de-fine con la precisión con la que la máquina puede ser ubicada en cierto sistemade coordenadas. Una máquina de control numérico suele tener una precisiónmínima en el posicionamiento de ±3 µm. La repetibilidad (el grado de concor-dancia de movimientos de posición repetidos bajo las mismas condiciones defuncionamiento de la máquina) suele estar aproximadamente en ±8 µm. La re-solución, que es el incremento mínimo de movimiento en los componentes de lamáquina, es de unos 2,5 µm.

La rigidez de la máquina herramienta y el juego entre sus engranajes ytornillos sin fin de avance son importantes en la precisión dimensional. Aunqueen máquinas antiguas se eliminaba el juego entre engranajes mediante circuitosde absorción de juego (en los que la herramienta siempre llega a una posicióndeterminada en la pieza desde la misma dirección), el juego de las máquinasmodernas se elimina usando tornillos sin fin de bolas precargados. Además, unarespuesta rápida a las señales de comando requiere minimizar la fricción y lainercia, por ejemplo reduciendo la masa de los componentes que se mueven enla máquina.


15.3.6. Ventajas y limitaciones del control numérico

El control numérico tiene las siguientes ventajas sobre los métodos conven-cionales de control de máquinas herramientas:

– Mejora la flexibilidad de operación, así como la capacidad de producirformas complicadas con buena precisión dimensional, repetibilidad, menorpérdida por defectos, grandes tasas de producción, alta productividad yalta calidad de los productos.

– Se reducen los costos de herramientas, porque no se requieren plantillasni diversos soportes.

– Son fáciles de hacer los ajustes de la máquina, con microcomputadoras einstalaciones digitales.

– Es posible efectuar más operaciones con cada preparación, y el tiempo deinicio para preparación y maquinado es menor, en comparación con losmétodos convencionales. Además, se facilitan los cambios de diseño y sereduce el inventario.

– Los programas pueden ser preparados rápidamente, y pueden ser llamadosen cualquier momento por los microprocesadores. Todo ello conlleva unamenor cantidad de trabajo en papel.

– Es posible realizar una producción más rápida de prototipos.

– Se requiere menor capacitación en el operador que la de un mecánicoespecializado, y el operador tiene más tiempo para atender otras tareasen su área de trabajo.

Las principales limitaciones del control numérico son el costo inicial delequipo, que es relativamente alto, la necesidad y el costo de programación, asícomo el tiempo de computadora, y el mantenimiento especial que requiere depersonal capacitado.

15.4. Programación del control numérico

Un programa de control numérico consiste en una secuencia de instruccionesque hace que una máquina de control numérico efectúe cierta operación; elproceso más común es el de maquinado. La programación del control numéricose puede hacer en un departamento interno de programación, en el taller, o sepuede comprar al exterior.

El programa contiene instrucciones y comandos. Las instrucciones geomé-tricas se refieren a movimientos relativos entre la herramienta y la pieza. Lasinstrucciones de procesamiento se refieren a velocidades de husillo, avances, he-rramientas de corte, fluidos de corte, etcétera. Las instrucciones de recorrido

266 15.4. Programación del control numérico

se refieren al tipo de interpolación y la velocidad del movimiento de la herra-mienta o la mesa. Las instrucciones de conmutación se refieren a la posiciónde encendido o apagado para el flujo de enfriador, la dirección o la suspensiónde la rotación del husillo, los cambios de herramienta, el avance de la pieza, lasujeción, etcétera.

La programación manual de la pieza consiste en calcular primero las rela-ciones dimensionales de la herramienta, la pieza y la mesa, sobre la base de losplanos técnicos de la parte (incluyendo el cad), las operaciones de manufactu-ra que se harán y su orden. Se prepara entonces una hoja de programa, en laque se detalla la información necesaria para efectuar la operación particular. Acontinuación se prepara el programa de la pieza, basándose en esta información.

La programación manual puede ser realizada por personal diverso, incluidoslos mecánicos especializados. Sin embargo, el trabajo que hay que realizar sueleser muy tedioso, lento y no económico; en consecuencia, la programación manualse usa principalmente en algunas aplicaciones de punto a punto.

La programación de pieza asistida por computadora implica usar lenguajesde programación simbólicos, que determinan las coordenadas de puntos comoesquinas, bordes y superficies de la pieza. Existen varios lenguajes disponiblesen el mercado; poseen diversas propiedades y aplicaciones. El primero que usódeclaraciones parecidas al inglés (denominado apt, Automatically ProgrammedTools) se desarrolló a finales de la década de 1950. Este lenguaje, en sus diversasformas ampliadas, sigue siendo el más usado para la programación punto a puntoy de trayectoria continua.

Hoy, las piezas complicadas se maquinan con programas de maquinado ba-sados en gráficas y asistidos por computadora. Se crea una trayectoria de he-rramienta en un ambiente principalmente gráfico, parecido a un programa cad.En programa o código de la máquina (código G) se crea en forma automática.

La programación de piezas asistida por computadora tiene las siguientesventajas sobre los métodos manuales: uso de lenguaje simbólico; menor tiempode programación; menor posibilidad de error humano; capacidad de visualizaren pantalla una secuencia de máquina; capacidad de realizar cambios sencillos—ya sea en una secuencia de maquinado o de una máquina a otra—; menorcosto, porque se requiere menos tiempo para programar.

El uso de los lenguajes de programación (compiladores) no sólo producemejor calidad de las partes, sino que también permite un desarrollo más rápidode las instrucciones de maquinado. Además, se pueden hacer simulaciones enterminales de cómputo remotas para asegurar que el programa funciona comose necesita. Este método evita la ocupación innecesaria de máquinas costosasen los procesos de corrección de errores.

La selección de determinado lenguaje de programación para control numé-rico depende principalmente de los factores siguientes: nivel de conocimientosdel personal en la instalación manufacturera; complejidad de la pieza; tipo deequipos y computadoras disponibles; tiempo y costes en los que incurre la pro-gramación.


15.5. Control adaptable

En el control adaptable, los parámetros de operación se ajustan de formaautomática a sí mismos para trabajar bajo nuevas circunstancias, como porejemplo cambios en la dinámica de los procesos particulares y perturbaciones quese puedan presentar. Se trata, obviamente, de un método de retroalimentación.

Se puede diferenciar el control dinámico con retroalimentación y el controladaptable como sigue: el control dinámico con retroalimentación posee un me-canismo controlador fijo, que se adapta o ajusta sus señales como respuesta acambios medidos en el comportamiento del sistema. Un controlador de ganan-cia constante es un caso especial del control dinámico con retroalimentación. Elcontrol adaptable no sólo ajusta las señales del controlador, sino el mecanismodel propio controlador.

La investigación sobre el control adaptable comenzó a principios de la dé-cada de 1950, y se ocupaba con el diseño de pilotos automáticos para avionesde alto rendimiento, que funcionan dentro de amplios límites de altitudes yvelocidades. Se observó, durante las pruebas, que los sistemas de control conganancia constante y retroalimentación trabajan bien bajo ciertas condicionesde operación, pero no con otras. La ganancia de seguimiento es quizá la formamás simple de lo que hoy se llama control adaptable. En esta programación deganancia se selecciona una ganancia distinta de la retroalimentación, que de-pende de las condiciones medidas de operación. A cada región del espacio deoperación del sistema se le asigna una ganancia distinta. Con los controles adap-tables avanzados, la ganancia puede variar en forma continua con los cambiosen las condiciones de operación.

Hoy se producen varios sistemas de control adaptable, para aplicacionescomo pilotaje de barcos, control de reactores químicos, laminadoras y tecnologíamédica. En la ingeniería de manufactura, en especial, los objetivos del controladaptable son los siguientes: optimizar la tasa de producción, optimizar la calidaddel producto y minimizar el costo.

Aunque el control adaptable se ha usado mucho durante algún tiempo enlos procesos continuos de la industria química y las refinerías de petróleo, eléxito de su aplicación al maquinado, rectificado, conformado y otros procesosde manufactura es relativamente reciente. La aplicación del ca en manufacturatiene importancia especial en casos donde las dimensiones y la calidad de lapieza no son uniformes —como, por ejemplo, una fundición deficiente o unapieza con tratamiento térmico inapropiado—.

15.5.1. Principios y aplicaciones del control adaptable

Las funciones básicas de los sistemas de control adaptable son las siguientes:

– Determinar las condiciones de operación del proceso, incluyendo las me-didas de la eficiencia. Esto se suele lograr mediante sensores, que miden

268 15.6. Manejo y movimiento de materiales

los parámetros del proceso tales como fuerza, momento, vibración y tem-peratura.

– Configurar el control del proceso como respuesta a las condiciones de ope-ración. Unos cambios grandes en las condiciones de operación pueden pro-vocar la decisión de hacer un cambio grande en la estrategia de control.Las alteraciones más modestas pueden ser la modificación de los paráme-tros del proceso, como por ejemplo cambiar la velocidad de operación o elavance.

– Continuar con la vigilancia del proceso, haciendo más cambios en el con-trolador como y cuando se necesiten.

Aquellos sistemas que imponen una restricción sobre una variable de pro-ceso (como fuerzas, momento o temperatura) se denominan sistemas de controladaptable con restricción. Así, si la fuerza de empuje y la de corte —por consi-guiente, el momento— aumentan demasiado (por ejemplo, por la presencia deuna región dura en una pieza de fundición—, el sistema de control adaptablecambia la velocidad o el avance para bajar la fuerza de corte hasta un valoraceptable.

Los sistemas que optimizan una operación se llaman sistemas de controladaptable con optimización. La optimización puede implicar el maximizar lavelocidad de remoción de material entre cambios (o afilados) de la herramienta, omejorar el acabado superficial. En la actualidad, la mayor parte de los sistemas sebasan en el control adaptable con restricción, porque es complicado el desarrolloy la implementación correcta del sistema de optimización.

El tiempo de respuesta debe ser corto para que el control adaptable seaeficaz, en especial en operaciones de alta velocidad. Para que el control adapta-ble sea eficaz en las operaciones de manufactura, se deben establecer y guardarrelaciones cuantitativas en el programa de cómputo, en forma de modelos ma-temáticos. Por ejemplo, si la velocidad de desgaste de la herramienta en unaoperación de maquinado es excesiva, la computadora debe ser capaz de poderdecidir cuánta debe ser la variación necesaria en la velocidad o en el avance,para reducir la velocidad de desgaste hasta un nivel aceptable. El sistema tam-bién debe ser capaz de compensar cambios dimensionales de la pieza debidos acausas como el desgaste de la herramienta y el aumento de la temperatura.

15.6. Manejo y movimiento de materiales

Los materiales se deben mover, ya sea en forma manual o con medios me-cánicos, y se requiere tiempo para transportarlos de un lugar a otro. El manejode materiales se puede definir como las funciones y sistemas asociados con eltransporte, almacenamiento y control de materiales y piezas en el ciclo totalde manufactura de un producto. El tiempo total necesario para la manufacturadepende en cierta medida del tamaño y la forma, y del conjunto de operacionesrequeridas. El tiempo inactivo y el necesario para transportar materiales puedenformar la mayor parte del tiempo consumido.


La distribución de la planta es un aspecto importante del flujo ordenadode materiales y componentes a través del ciclo de manufactura. El tiempo ylas distancias necesarias para mover las materias primas y las partes se debenminimizar, y las áreas de almacenamiento y los centros de servicio se debenorganizar con ese fin. Para partes que requieran varias operaciones, el equipo sedebe agrupar en torno al operador o al robot industrial.

Por todo lo anterior, el manejo de materiales debe ser parte integral dela planificación, implementación y control de las operaciones manufactureras.Además, el manejo de materiales debe ser repetible y predecible.

15.6.1. Métodos de manejo de materiales

Para operaciones pequeñas de manufactura en lotes, las materias primasy las piezas se pueden manejar y transportar a mano, pero en general estemétodo es costoso. Además, como implica a personas, dicha práctica puede serimpredecible y poco fiable; hasta puede ser insegura para el operador, debidoal peso y a la forma de las partes por mover, y debido a factores ambientales(como el calor y el humo en las fundidoras y las plantas de forjado). En lasplantas automatizadas de manufactura, se está implantando con rapidez el flujode material y partes controlado por computadora. Estos cambios han tenidocomo consecuencia mayor repetibilidad y menores costos de mano de obra.

15.6.2. Equipo

Para mover materiales se usan diversas clases de equipo, como transporta-dores, rodillos, monoraíles automáticos, carritos, montacargas y diversos dispo-sitivos y manipuladores mecánicos, eléctricos, magnéticos, neumáticos e hidráu-licos. Los manipuladores se pueden diseñar para que el operador los controle enforma directa, o se pueden automatizar para hacer las operaciones repetitivas,como, por ejemplo, cargar y descargar piezas en máquinas herramientas, prensasy hornos.

Las combinaciones de máquinas que tienen la posibilidad de transportarpartes sin usar aparatos adicionales de manejo de materiales se denominan dis-positivos integrales de transferencia. El manejo y el movimiento flexible de ma-teriales, con control en tiempo real, han llegado a ser una parte integral dela manufactura moderna. Se usan robots industriales, palés de diseño especialy vehículos guiados automáticamente en los sistemas de manufactura flexible,para mover piezas y guiarlas según sea necesario.

Los vehículos guiados automáticamente, que son el último desarrollo en elmovimiento de materiales en las plantas, trabajan en forma automática a lo largode rutas con cableado en el piso —o con cintas, para reconocimiento óptico— sinintervención del operador. Este sistema de transporte posee gran flexibilidad yes capaz de hacer entregas aleatorias a distintas estaciones de trabajo. Optimizael movimiento de materiales y partes en casos de congestionamiento en torno alas estaciones de trabajo, o inactividad de máquinas debido a fallos, o cuando

270 15.7. Robots industriales

falla toda una sección del sistema.

Los movimientos de los vehículos guiados automáticamente se planean detal modo que se interconecten con sistemas automatizados de almacenamientoy recuperación para utilizar en forma eficiente el espacio del almacén y reducirlos costos de mano de obra. Sin embargo, estos sistemas se consideran hoy comodesfavorables porque el enfoque actual es hacia inventarios mínimos y haciamétodos de producción just in time.

Se han desarrollado sistemas de codificación para localizar e identificar pie-zas en todo el sistema de manufactura y transferirlas a sus estaciones adecuadas:

– Código de barras : es el sistema de uso más extendido y el menos costoso.Las claves se imprimen en etiquetas, que se fijan a las piezas o partes y seleen con aparatos portátiles que usan lápices luminosos.

– Bandas magnéticas : son el segundo sistema más común de codificación.

– El tercero de los equipos más populares usa etiquetas de radiofrecuencia.Aunque son caras, no necesitan la banda visual libre de los dos sistemasanteriores, poseen gran alcance y se puede reescribir en ellas.

Existen también otros sistemas de identificación, basados en ondas acústicas,reconocimiento óptico de caracteres y sistemas de visión.

15.7. Robots industriales

La palabra robot fue sugerida en 1920 por K. Capek, autor checo, en su obraR.U.R. (Robots Industriales de Rossum); se deriva de la palabra checa robota,que significa «trabajador». Un robot o autómata industrial se ha definido comoun manipulador multifuncional reprogramable, diseñado para mover materiales,piezas, herramientas u otros dispositivos mediante movimientos programadosvariables, y para ejecutar tareas diversas. En un contexto más amplio, el términorobot también incluye a los manipuladores que un operador activa en formadirecta.

Por lo general, un robot industrial lo define la organización iso de la siguien-te forma: «una máquina formada por un mecanismo que incluye varios gradosde libertad, que frecuentemente tiene el aspecto de uno o varios brazos termi-nados en una muñeca, capaces de sujetar una herramienta, pieza o dispositivode inspección. En particular, su unidad de control debe usar un dispositivo dememoria y a veces puede usar aditamentos sensores o de adaptación para teneren cuenta el ambiente y las circunstancias. Estas máquinas de propósito generalse suelen diseñar para ejecutar una operación repetitiva, y se pueden adaptar aotras operaciones.

Se comenzaron a usar en la década de 1960; los primeros se usaron enoperaciones peligrosas, como por ejemplo el manejo de materiales tóxicos yradiactivos, cargar y descargar piezas calientes en hornos y fundidoras. Algunas


aplicaciones sencillas de los robots son las llamadas «tres D» (dark, dangerousy dirty), incluyendo tareas indeseables pero necesarias, y también las «tres H»(hot, heavy y hazardous).

Desde sus primeros usos para protección del trabajador y para seguridad enlas plantas manufactureras, los robots industriales han evolucionado, llegandoa ser componentes importantes en los procesos y sistemas de manufactura. Hanayudado a mejorar la productividad y la calidad de los productos, así como areducir los costos de mano de obra. Los robots controlados por computadora secomercializaron a principios de la década de 1970; el primer autómata controladopor microcomputadora apareció en 1974.

15.7.1. Componentes de los robots

Manipulador También se llama brazo y muñeca. El manipulador es una unidadmecánica que permite movimientos (trayectorias) parecidos a los de un brazoy una mano humanas. El extremo de la muñeca puede llegar a un punto enel espacio que tenga un conjunto específico de coordenadas, en una orientaciónespecífica. La mayor parte de los robots tienen seis articulaciones. También hayrobots con cuatro grados de libertad y otros con cinco; pero, por definición,estas clases no son muy diestras, porque para serlo se necesitan seis grados delibertad.

También se consiguen robots con siete grados de libertad —también de-nominados «redundantes»—. Existen robots con articulaciones de movimientolineal, pero cada vez son más raros. La manipulación se efectúa con dispositivosmecánicos, como varillas, engranajes y varias articulaciones.

Efector final El extremo de la muñeca de un robot tiene un efector final, lla-mado también herramienta de extremo de brazo. Según el tipo de operación,los efectores finales pueden estar equipados con lo siguiente: sujetadores, gan-chos, palas, electroimanes campanas de vacío y dedos adhesivos, para manejarmateriales; pistolas de aspersión para pintar; accesorios para soldar por puntosy con arco, y para soporte con arco; herramientas motorizadas, como taladros,llaves de tuerca y desbarbadores; instrumentos de medición, como indicadoresde carátula.

Los efectores finales dóciles se usan para el manejo de materiales frágiles, opara facilitar el ensamblaje. Estos efectores pueden usar mecanismos elásticospara limitar la fuerza que aplican a la pieza, o se pueden diseñar con una rigidezespecial. Este tipo de arreglos evita daños a las piezas en aquellas operacionesde ensamblaje en las que puedan presentarse ligeros desalineamientos.

Fuente de alimentación Cada movimiento del manipulador, en los ejes linealesy de rotación, se controla mediante actuadores independientes que usan unafuente de alimentación eléctrica, neumática o hidráulica. Cada fuente de energíay cada tipo de motor tiene sus propias características, ventajas y limitaciones.

272 15.7. Robots industriales

Sistema de control Conocido también como controlador, el sistema de controles el sistema de comunicaciones y de procesamiento de información que emite loscomandos de movimiento del robot. Es el cerebro del robot; almacena datos parainiciar y finalizar los movimientos del manipulador. También son los nerviosdel robot; se interconecta con computadoras y otros equipos, como celdas demanufactura o sistemas de ensamblaje. Los manipuladores y los efectores sonlos brazos y las manos del robot.

Los dispositivos de retroalimentación, como los trasductores, son parte im-portante del sistema de control. Los robots con un conjunto fijo de movimientostienen control de lazo abierto. En este sistema, se dan los comandos y el bra-zo del robot hace sus movimientos; a diferencia de la retroalimentación en lossistemas de lazo cerrado, no comprueba la precisión de los movimientos. Enconsecuencia, el circuito abierto no tiene capacidad de autocorregirse.

Como en las máquinas de control numérico, los tipos de control en los robotsindustriales son de punto a punto y de trayectoria continua. Dependiendo de unatarea en particular, la repetibilidad de posicionamiento necesaria puede ser sólode 0,050 mm, como en las operaciones de ensamblaje de circuitos electrónicosimpresos. Los robots especializados pueden alcanzar tal precisión, aunque lamayor parte no lo hacen. La precisión y la repetibilidad varían mucho con lacarga y la posición dentro de la envolvente de trabajo, y en consecuencia sonmuy difíciles de cuantificar en la mayor parte de los robots.

15.7.2. Clasificación de los robots

Se pueden clasificar los robots por sus tipos básicos: cartesianos o rectilí-neos, cilíndricos, esféricos o polares, y articulados, de revolución, con uniones oantropomorfos.

Se pueden fijar al piso en forma permanente, en una planta manufacturera, opueden moverse sobre raíles (robots gantry), o pueden tener ruedas para moversepor el piso de la fábrica (robots móviles). Sin embargo, hay una clasificación másamplia de los robots que hoy se usan, que se describe a continuación.

Robots de secuencia fija y variable El robot se secuencia fija —también de-nominado de tomar-y-poner— está programado con una secuencia específicade operaciones. Sus movimientos son de punto a punto y el ciclo se repite enforma continua. Estos robots son sencillos y relativamente poco costosos. El ro-bot de secuencia variable se puede programar con una secuencia específica deoperaciones, pero se puede reprogramar para efectuar otra secuencia.

Robot reproductor de movimientos Un operador conduce o hace caminar alrobot reproductor de movimientos con su efector final a través de la ruta deseada;en otras palabras, el operador «enseña» al robot qué debe hacer. Éste memorizay registra la trayectoria y la secuencia de operaciones, y después puede repetiren forma continua, sin acción alguna o guía del operador.


Otro tipo es el de teach pendant o control remoto, que usa botoneras ma-nuales conectadas al tablero de control. Los botones se usan para controlar yguiar al robot con sus herramientas hacia el trabajo a efectuar. Esos movimien-tos quedan registrados en la memoria del controlador y el robot los reproduceen forma automática cuando sea necesario.

Robot de control numérico Este robot se programa y se opera en forma muyparecida a una máquina de control numérico. Está servocontrolado por datosdigitales, y se puede cambiar con relativa facilidad su secuencia de movimientos.Como en las máquinas de control numérico, hay dos tipos básicos de controla-dores: los de punto a punto y los de trayectoria continua.

Los robots de punto a punto son fáciles de programar y tienen mayor ca-pacidad de carga y mayor envolvente o volumen de trabajo, que se define comola extensión o el alcance máximo de la mano o de la herramienta de trabajo delrobot en todas direcciones.

Robot inteligente (sensorial) El robot inteligente es capaz de efectuar algu-nas de las funciones y tareas que hacen los humanos. Tiene una diversidad desensores con posibilidades visuales (visión computerizada) y táctiles. El robotobserva y evalúa el entorno próximo y su proximidad a otros objetos, en especialla maquinaria, mediante percepción y reconocimiento de figuras. A continuacióntoma las decisiones adecuadas para el siguiente movimiento y procede en conse-cuencia. Como su funcionamiento es muy complejo, se requieren computadorasmuy potentes para controlar este tipo de robots.

En los robots inteligentes hay desarrollos importantes para que puedan:comportarse más y más como los humanos —efectuando tareas tales como mo-verse entre varias máquinas y equipo en el taller, evitando choques—; reconocer,seleccionar y asir en forma correcta el material o la pieza adecuados; transportarla parte a una máquina para su procesamiento o inspección; armar los compo-nentes formando subensambles o el producto final.

15.7.3. Aplicaciones y selección de los robots

Las principales aplicaciones de los robots industriales incluyen las siguientes:

– Manejo de material, que consiste en la carga, descarga y transferenciade las piezas en las instalaciones manufactureras. Estas operaciones laspueden hacer los robots de forma confiable y repetible, mejorando así lacalidad y reduciendo las pérdidas por desperdicio. Algunos ejemplos son:operaciones de fundición y moldeo en las que se maneja metal fundido,materias primas, lubricantes y partes en varias etapas de terminación, sininterferencia con el operador; tratamiento térmico, cuando las piezas secargan y descargan de hornos y baños de temple; operaciones de confor-mado, en las que se cargan y descargan las partes en las prensas y en otrostipos de maquinaria de trabajo de metales.

274 15.8. Tecnología de sensores

– Soldadura por puntos de carrocerías unitizadas de automóvil y camión,produciendo soldaduras de buena calidad. También los robots ejecutanotras operaciones parecidas, como soldadura con arco, corte con arco yremachado.

– Operaciones como desbarbado, rectificado y pulido, con las herramientasadecuadas fijas a los efectores finales.

– Aplicación de adhesivos y selladores; poseen gran utilidad, por ejemplo enla carrocería de automóviles.

– Pintura por aspersión (en especial de formas complejas) y operaciones delimpieza. Son aplicaciones frecuentes, porque las operaciones en una piezase repiten con mucha precisión en la siguiente.

– Ensamblaje automático, que también es muy repetitivo.

– Inspección y calibración en diversas etapas de manufactura; permiten tenervelocidades mucho mayores que las que pueden alcanzar los humanos.

Selección de los robots Los factores que influyen sobre la selección de los ro-bots en la manufactura son los siguientes: capacidad de carga, velocidad del mo-vimiento, fiabilidad, repetibilidad, configuración del brazo, grados de libertad,sistema de control, memoria de programa y envolvente o volumen de trabajo.

Economía Además de los factores técnicos, las consideraciones de costos ybeneficios también son aspectos importantes en la selección y uso de los robots.La disponibilidad y la fiabilidad cada vez mayores, y los costos reducidos delos robots inteligentes complicados, están teniendo un gran impacto económicosobre las operaciones de manufactura, y esos robots están desplazando en formagradual a la mano de obra humana.

Seguridad en los robots Según el tamaño de la envolvente de trabajo de unrobot, su velocidad y su proximidad a los humanos, las consideraciones de se-guridad en un ambiente con robots pueden ser importantes, en especial paraprogramadores y personal de mantenimiento, quienes interactúan en forma di-recta con el robot.

15.8. Tecnología de sensores

Un sensor es un dispositivo que produce una señal en respuesta a su de-tección o medida de una propiedad, como posición, fuerza, momento, presión,temperatura, humedad, velocidad, aceleración o vibración. En forma tradicio-nal, los sensores, los actuadores y los interruptores se han venido usando paraestablecer límites de funcionamiento de las máquinas.


Entre los ejemplos comunes de los sensores están los topes de las máquinasherramientas, pera restringir los movimientos de la mesa; termómetros y manó-metros con funciones de desconexión automática, y gobernadores en los motorespara evitar demasiada rapidez de operación. La tecnología de los sensores hallegado a ser un aspecto importante de los procesos y sistemas de manufactura;es esencial para la adquisición correcta de datos y para vigilar, comunicar ycontrolar las máquinas y los sistemas con computadora.

Como convierten una cantidad en otra, también se les llama trasductores.Los sensores analógicos producen una señal, como tensión, proporcional a lacantidad medida. Los sensores digitales poseen salidas numéricas o digitales,que se pueden transferir en forma directa a las computadoras. Los convertido-res de analógico a digital se usan para interconectar sensores analógicos concomputadoras.

15.8.1. Clasificación de los sensores

Los sensores de interés para la manufactura se pueden clasificar, en general,como sigue:

– Sensores mecánicos, para medir cantidades como posición, forma, veloci-dad, fuerza, momento, presión, vibración, deformación y masa.

– Sensores eléctricos, para medir tensión, corriente, carga y conductividad.

– Sensores magnéticos, para medir campo, flujo y permeabilidad magnética.

– Otros tipos, como acústicos, ultrasónicos, químicos, ópticos, de radiación,láser y de fibra óptica.

De acuerdo con su aplicación, un sensor puede estar formado por materialesmetálicos, no metálicos, orgánicos o inorgánicos, y por fluidos, gases, plasmas osemiconductores. Al usar características especiales de esos materiales, los senso-res convierten la cantidad o propiedad medida en una salida analógica o digital.

De igual manera, una parte de la máquina, o una obstrucción o barrerafísica en el espacio se pueden detectar interrumpiendo el rayo de luz que captauna celda fotoeléctrica. Un sensor de proximidad, que siente y mide la distanciaentre él y un objeto o una parte móvil de una máquina, se puede basar enfenómenos acústicos, magnéticos, de impedancia u ópticos.

Detección por contacto La detección por contacto consiste en la deteccióncontinua de fuerzas de contacto variables, normalmente mediante una serie desensores. Este sistema es capaz de funcionar dentro de un espacio tridimen-sional arbitrario. Las piezas frágiles —como botellas de vidrio y dispositivoselectrónicos— se pueden manejar mediante robots con efectores finales dóciles.

La fuerza detectada se vigila y controla mediante dispositivos de circuitocerrado con retroalimentación. Sin embargo, los sujetadores dóciles con retroa-limentación de fuerza y percepción sensorial pueden ser complicados y requerir

276 15.8. Tecnología de sensores

poderosas computadoras; por consiguiente pueden ser costosos. Los efectoresfinales antropomorfos se están diseñando para simular la mano y los dedos hu-manos, y para tener la posibilidad de sentir el toque, la fuerza, el movimientoy la textura. En sensor táctil ideal también debe sentir el deslizamiento; éstepuede ser muy importante en el uso de los robots.

Detección visual En la detección visual, unas cámaras detectan, ópticamente,la presencia y la forma del objeto. A continuación un microprocesador procesala imagen —por lo general, en menos de un segundo—, la mide y se digitalizanlas mediciones (reconocimiento de imagen). Existen dos procedimientos básicosdel sistema de visión de máquina: arreglo lineal y arreglo matricial.

En el arreglo lineal sólo se detecta una dimensión, como por ejemplo lapresencia de un objeto o alguna particularidad en su superficie. Los arreglosmatriciales sienten dos o hasta tres dimensiones, y son capaces de detectar, porejemplo, un componente bien insertado en un circuito impreso, o una uniónsoldada bien hecha (verificación de ensamblaje). Cuando se usan en sistemasautomatizados de inspección, estos sensores también pueden detectar grietas eimperfecciones.

El sistema de visión de máquina se adapta en especial para piezas inac-cesibles, en ambientes hostiles de manufactura, para medir gran cantidad decaracterísticas pequeñas y en casos en los que el contacto físico con la pieza lapueda dañar. Entre las aplicaciones de los sistemas de visión de máquina están:la inspección en línea y en tiempo real de líneas de estampado de láminas, ylos sensores para máquinas herramientas que puedan detectar desplazamientosy roturas de la herramienta, verificar la colocación y el soporte de las piezas yvigilar el acabado superficial.

La selección de un sensor para determinada aplicación depende de factorescomo: la cantidad que se debe medir o detectar; la interacción del sensor conotros componentes del sistema; su duración o vida esperada; su nivel requeridode complicación; las dificultades relacionadas con su uso; su fuente de energía,y su costo. Otra consideración importante en la selección del sensor es el am-biente en el que se va a usar. Se han desarrollado sensores robustos para resistirtemperatura, choque y vibración, humedad, corrosión, polvo y diversos contami-nantes, fluidos, radiación electromagnética y otras interferencias en condicionesextremas.

Sensores inteligentes Entre los desarrollos más recientes están los sensoresinteligentes, que tienen capacidad para efectuar una función lógica, conducircomunicaciones en ambos sentidos y tomar decisiones y acciones adecuadas.Los datos necesarios y los conocimientos requeridos para tomar una decisión sepueden incorporar a un sensor inteligente. Por ejemplo, se puede programar unchip de cómputo con sensores para apagar una máquina herramienta cuandofalla una herramienta de corte. De igual manera, un sensor inteligente puedeparar a un brazo robot móvil para que no llegue a tocar un objeto (o persona)por accidente, detectando cantidades como distancia, calor y ruido.


15.8.2. Fusión de sensores

Aunque no hay definición clara del término fusión de sensores, se entiendepor lo general que implica básicamente la integración de varios sensores en formatal que se combinan los datos individuales de cada uno para proporcionar unnivel más alto de información y de fiabilidad.

Las primeras aplicaciones de la fusión de sensores fueron en el control delmovimiento del robot y en aplicaciones de rastreo de vuelos y otras parecidas.Otro ejemplo de fusión de sensores es una operación de maquinado en la que unconjunto de sensores distintos, pero integrados, vigila: las dimensiones y el aca-bado superficial de la pieza; las fuerzas, vibraciones y desgaste de la herramientade corte; la temperatura en diversas regiones del sistema herramienta-pieza, yla potencia en el husillo.

Un aspecto importante en la fusión de sensores es la validación del sensor :el fallo de un sensor en particular es detectado con el fin de que el sistemaretenga la información con gran fiabilidad.

15.9. Soportes flexibles

En las operaciones de manufactura se suelen usar con frecuencia, y en formaindistinta —y a veces, por pares—, las palabras prensa, plantilla y soporte. Lasprensas son dispositivos sencillos y multifuncionales; los soportes o sujetadoresse diseñan en general para fines específicos; las plantillas tienen varias superficiesy puntos de referencia para alineamiento exacto de partes y herramientas, y seusan mucho en la producción en masa.

La emergencia de los sistemas flexibles de manufactura ha necesitado eldiseño y uso de dispositivos sujetadores que tengan flexibilidad propia. Estosdispositivos (soportes flexibles) son capaces de acomodar con rapidez una ga-ma de formas y dimensiones de piezas o partes sin necesidad de cambiarlos oajustarlos mucho, o de requerir intervención del operador.

15.9.1. Consideraciones de diseño para el soporte flexible

El diseño y la construcción adecuados de los sujetadores y soportes flexibleses esencial en la operación de los sistemas avanzados de manufactura. Estosdispositivos se deben ubicar en forma automática y precisa a la pieza, y debenmantenerse en su lugar con precisión y fuerza suficiente de sujeción durante laoperación de manufactura.

Los soportes deben acomodar las partes en forma repetitiva en la mismaposición y deben tener la rigidez suficiente para resistir los esfuerzos normales ycortantes que se desarrollan en las interfases entre pieza y soporte. Los soportesy las prensas deben tener bajos perfiles para evitar choques con las herramientasde corte y las matrices o dados.

Un soporte flexible debe sujetar partes hechas mediante diversos procesos,

278 15.10. Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio

como fundición, conformado o metalurgia de polvos, en las que las dimensio-nes y las características superficiales varíen de una parte a otra. La fuerza desujeción, a su vez, se debe estimar y aplicar en forma adecuada. Estas conside-raciones tienen todavía más importancia cuando la pieza es frágil o está hechacon material frágil, cuando tiene un recubrimiento relativamente suave sobresus superficies o cuando es de plástico. Los plásticos suelen tener baja dureza ybajo módulo de elasticidad, y, en consecuencia, son muy flexibles.

15.10. Diseño para ensamblar, desarmar y dar ser-vicio

Las piezas y componentes individuales hechos con distintos procesos de ma-nufactura se ensamblan para formar productos terminados, con varios métodos.Algunos productos son sencillos y sólo tienen dos o tres componentes que seensamblan; esta operación se puede hacer con relativa facilidad. Sin embargo, lamayor parte de los productos consisten en muchas piezas, y para ensamblarlasse requiere mucho cuidado y planificación.

Tradicionalmente, el ensamblaje ha implicado mucho trabajo manual, porlo que ha constituido una parte importante del coste del producto. La operacióntotal del ensamblaje se suele descomponer en operaciones individuales (suben-sambles), con un operador asignado para cada paso. Los costos de ensamblajeson característicamente entre el 25 y el 50 por ciento del costo total de la ma-nufactura, y el porcentaje de trabajadores que intervienen en las operaciones deensamblaje oscila entre el 20 y el 60 por ciento. En las industrias electrónicasse paga entre el 40 y el 60 por ciento de los sueldos totales a trabajadores deensamblaje.

Al aumentar los costos y las cantidades de producción de los artículos quese van a armar, se vuelve obvia la necesidad de tener ensamblaje automáti-co. Los métodos de ensamblaje, que comenzaron con el armado manual demosquetes a finales del siglo xvii —y a principios del siglo xix con las pie-zas intercambiables— los métodos de ensamblaje han mejorado mucho con elpaso del tiempo. La primera aplicación del ensamblaje moderno en gran escalafue armar imanes de volante para el Ford T.

Como hemos visto, las piezas se fabrican con ciertos intervalos de tolerancia.Hay dos métodos para ensamblar tales productos de gran volumen: el ensamblajealeatorio y el ensamblaje selectivo.

En el ensamblaje aleatorio, las piezas se arman seleccionándolas al azaren los lotes producidos. En el ensamblaje selectivo, los rodillos y las pistas seseparan por grupos de tamaños. A continuación se seleccionan las piezas paraque encajen en forma adecuada.

15.10.1. Sistemas de ensamblaje

Existen tres métodos básicos de ensamblaje: manual, automático, de altavelocidad y robótico. Estos métodos se pueden usar de forma individual o, como


es el caso de la mayor parte de aplicaciones en la práctica, en combinación.Primero se debe hacer un análisis del diseño del producto respecto al métodoadecuado y económico de armado.

– En el ensamblaje manual se emplean herramientas relativamente senci-llas; resulta un método económico para lotes pequeños. Por la destrezade la mano y los dedos humanos y su capacidad de retroalimentación convarios sentidos, los trabajadores pueden armar en forma manual hastapartes complicadas sin gran dificultad. Por ejemplo, a pesar del uso demecanismos complicados, robots y controles automatizados, la alineacióny colocación de un simple clavo cuadrado en un agujero cuadrado, con pocatolerancia, puede ser difícil en un ensamblaje automatizado; sin embargo,la mano humana puede hacer esta operación con relativa facilidad.

– En el ensamblaje automatizado de alta velocidad, se emplean mecanismosde transferencia diseñados especialmente para la operación. En el ensam-ble robotizado, en una estación de trabajo operan uno o dos robots depropósito general, o bien los robots trabajan en un sistema de ensamblajede varias estaciones.

Existen tres tipos básicos de sistemas de ensamblaje: síncronos, asíncronosy continuos.

– En los sistemas síncronos —también denominados indexados—, las piezasy los componentes individuales se suministran y ensamblan con velocidadsuficiente en estaciones individuales fijas. La rapidez de movimientos sebasa en la estación que tarde más en terminar su parte del ensamblaje.Este sistema se usa principalmente para ensamblar productos pequeñosen gran cantidad y con gran velocidad.

Los sistemas de transferencia mueven los ensamblajes parciales de una aotra estación de trabajo, con diversos métodos mecánicos. Dos sistemascaracterísticos son los de indexación rotatoria e indexación en línea. Estossistemas pueden trabajar en modo totalmente automático o en semiauto-mático. Sin embargo, el fallo en una estación frena toda la operación dearmado.

Los alimentadores de piezas las suministran y las colocan sobre otros com-ponentes, que son sujetados en transportadores o soportes de piezas. Losalimentadores mueven las piezas individuales (por vibración u otros me-dios) a través de tolvas de entrega y aseguran su correcta orientaciónmediante diversos medios.

– En los sistemas asíncronos, cada estación trabaja en forma independientey cualquier desequilibrio se gestiona en el almacén (buffer) entre estacio-nes. La estación continúa trabajando hasta que se llena el siguiente buffero se vacía el anterior. Además, si una estación no trabaja por alguna razón,la línea de ensamble sigue trabajando hasta que se hayan usado todas laspiezas en el buffer. Estos sistemas asíncronos son adecuados para gran-des ensamblajes, con muchas piezas por armar. Para tipos de ensamblesen los que los tiempos requeridos para las operaciones individuales varíanmucho, la producción quedará determinada por la estación más lenta.

280 15.10. Diseño para ensamblar, desarmar y dar servicio

– En los sistemas continuos, el producto se arma mientras se mueve a velo-cidad constante sobre palés o portadores de piezas. Las piezas a ensamblarllegan al producto a través de varios cabezales y sus movimientos se sin-cronizan con el movimiento continuo del producto. Entre las aplicacionescaracterísticas de este sistema están las empaquetadoras y las embotella-doras, aunque también se ha usado el método en líneas de producción paraautomóviles y electrodomésticos.

Los sistemas de ensamblaje se preparan en general para cierta línea deproductos; sin embargo, se pueden modificar para tener mayor flexibili-dad y armar líneas que tengan varios modelos. Estos sistemas flexiblesde ensamblaje usan controles computerizados, cabezales y alimentadoresintercambiables y programables, palés codificados y dispositivos automá-ticos de guía.

15.10.2. Lineamientos para diseño de ensamblaje, desarmadoy servicio

Aunque las funciones de un producto y su diseño para la manufactura hansido asuntos de gran importancia durante algún tiempo, sólo recientemente hacomenzado a prestarse atención al diseño para ensamblaje, en especial para elensamblaje automatizado, por la necesidad de reducir costos de mano de obraen las operaciones de ensamblaje. Se han establecido diversos lineamientos comoelementos auxiliares para el diseño de piezas y la facilidad de su ensamblaje. Loslineamientos generales para el diseño manual se resumen así:

– Reducir la cantidad y los tipos de piezas de un producto para que serequieran menos pasos y soportes. Con este método se reducen los costosde ensamblaje.

– Las piezas a ensamblar deben tener un alto grado de simetría (redondaso cuadradas) o asimetría (ovaladas o rectangulares). Deben diseñarse deforma que no se puedan instalar mal, o de forma que no necesiten ubicarse,alinearse o ajustarse.

– Los diseños deben permitir ensamblar las piezas sin obstrucciones ni lacarencia de una visual adecuada.

Los lineamientos de diseño para el ensamblaje automatizado de alta veloci-dad incluyen, además de algunos para el ensamblaje manual, el hecho de que laspiezas deben ser manejadas no en forma manual, sino automática, usando diver-sos dispositivos. El manejo automático requiere que las partes estén separadasde las demás y sean transportadas con tolvas o alimentadores vibratorios en laorientación correcta para su ensamblaje. En consecuencia, algunos lineamientosal respecto son:

– Los diseños de piezas deben tener en cuenta factores tales como tamaño,forma, peso, flexibilidad, abrasión y adherencia con otras partes.


– Se deben diseñar las partes de modo que se puedan insertar desde unasola dirección (vertical, preferentemente, para aprovechar la gravedad); elensamblaje desde dos o más direcciones puede presentar problemas.

– Los productos se deben diseñar —o rediseñar los productos existentes—para que no haya obstrucciones físicas al movimiento libre de sus partesdurante el ensamblaje; se deben reemplazar las esquinas agudas, externase internas, con biseles, lados inclinados o radios.

Los lineamientos de diseño para el ensamblado robótico son reglas parecidasa las del ensamblaje manual y el automatizado de alta velocidad, aunque lasinvestigaciones recientes en efectores finales dóciles y manipuladores diestroshan relajado algo la inflexibilidad de los robots.

Diseño para desarmado La manera y la facilidad con las que un productose puede sacar para su mantenimiento o la reposición de sus partes es otraconsideración importante en el diseño de los productos. En consecuencia, eldiseño para el desarmado se ha convertido un factor importante en el procesogeneral de diseño.

Diseño para el servicio La última tendencia en el diseño para el ensamblaje yel desarmado incluye también tener en cuenta la facilidad con la que se puedereparar un producto. Se denomina diseño para el servicio, y este método sebasa en el concepto de que los elementos que necesitarán servicio con mayorprobabilidad se sitúen en las capas más externas del producto. De esta forma,es más fácil llegar y dar servicio a las partes individuales sin tener que quitarotras más.

Tema 16

Sistemas integrados de

fabricación

16.1. Introducción

Este capítulo centra su atención en la integración de las actividades enmanufactura. Integración quiere decir que los procesos y operaciones de manu-factura, y su administración, se consideren como un sistema que haga posibleel control total de la instalación manufacturera para, con ello, aumentar laproductividad, la calidad y la fiabilidad del producto, y reduzca los costos demanufactura.

En la manufactura integrada por computadora (cim, Computer-IntegratedManufacturing), las funciones —tradicionalmente separadas— de investigacióny desarrollo, diseño, producción, armado, inspección y control de calidad serelacionan entre sí. En consecuencia, la integración requiere comprender bienlas relaciones cuantitativas entre el diseño del producto, sus materiales, el pro-ceso de manufactura y las posibilidades del equipo, así como las actividadesrelacionadas. De esta forma, se pueden adaptar cambios —por ejemplo, en re-querimientos de material—, tipos de producto o demanda del mercado. Además,es mucho más factible lograr la alta calidad a través de la integración del diseñoy la manufactura.

Las máquinas, herramientas y operaciones de manufactura deben poseercierta flexibilidad incorporada, para poder responder a los cambios y asegurarla entrega a tiempo al cliente.

16.2. Sistemas de manufactura

La palabra sistema se deriva del griego systema, que quiere decir combinar.Hoy significa un arreglo de entidades físicas, que se caracteriza por sus paráme-tros identificables y cuantificables de interacción. La manufactura implica unagran cantidad de actividades independientes, formadas por distintas entidades—como materiales, herramientas, máquinas, energía y personas—.

284 16.3. Manufactura integrada por computadora

En el caso ideal, deberíamos poder representar un sistema mediante modelosmatemáticos y físicos que puedan indicar la naturaleza y el grado de independen-cia de las variables que intervienen. En un sistema de manufactura, un cambioo perturbación en cualquier lugar del mismo requiere que se ajuste a sí mismo,a nivel sistema, para continuar funcionando en forma eficiente.

Puede ser difícil modelar un sistema complejo, por la falta de datos detalla-dos o fiables sobre muchas de las variables que intervienen. Además, no siemprees fácil pronosticar ni controlar en forma correcta algunas de esas variables.

16.3. Manufactura integrada por computadora

Se han ampliado los diversos niveles de automatización en las operaciones demanufactura, incluyendo funciones de procesamiento de información y usandouna extensa red de computadoras interactivas. El resultado es la manufacturaintegrada por computadora, término amplio que describe la integración compute-rizada de todos los aspectos de diseño, planificación, manufactura, distribucióny administración.

Ya que (en el caso ideal) la cim debe implicar la operación total de unaempresa; debe tener, sin embargo, una extensa base de datos acerca de aspectostécnicos y comerciales de la operación. Así, si todo se implementa de una vez,la manufactura integrada por computadora puede ser excesivamente cara, enespecial para las empresas pequeñas y medianas.

Los subsistemas de manufactura integrada por computadora consisten ensubsistemas que se integran en un todo. Estos subsistemas son los siguientes:planificación y respaldo comercial; diseño del producto; planificación del proce-so de manufactura; control del proceso; sistemas de monitorización del taller;automatización del proceso.

Los subsistemas se diseñan, desarrollan y aplican de tal manera que la sali-da de uno sea la entrada del otro. En sentido organizacional, estos subsistemasse suelen dividir en funciones de planificación comercial y ejecución comercial.Las funciones de planificación comercial incluyen actividades como pronóstico,calendarización, planificación de necesidades de material, facturación y contabi-lidad. Las funciones de ejecución comercial incluyen la producción y el controldel proceso, el manejo de materiales, las pruebas y la inspección.

La eficacia de la manufactura integrada por computadora depende muchode la presencia de un sistema integrado de comunicaciones formado por compu-tadoras, máquinas y sus controles. En los últimos tiempos, así, ha habido unafuerte tendencia hacia la normalización, para hacer que los equipos de comuni-caciones sean compatibles. Los beneficios que engloba la manufactura integradapor computadora son los siguientes:

– Su capacidad de respuesta a ciclos más cortos de vida del producto, de-mandas cambiantes de mercado y competitividad global.

16. Sistemas integrados de fabricación 285

– Su énfasis hacia la calidad y uniformidad del producto, implementadamediante mejor control del proceso.

– El mejor uso de materiales, maquinaria y personal, y la reducción delinventario de trabajo en proceso (wip, Work In Progress); todo ello mejorala productividad y reduce el costo del producto.

– Mejor control de la producción, calendarización y administración de laoperación total de manufactura, lo que da como resultado un menor costodel producto.

16.3.1. Base de datos

Un sistema eficiente de manufactura integrada por computadora requiere deuna sola base de datos, compartida por toda la organización manufacturera. Lasbases de datos consisten en la actualización de datos detallados y exactos acer-ca de productos, diseños, máquinas, procesos, materiales, producción, finanzas,compras, ventas, mercadotecnia e inventario.

En general, una base de datos consiste en los siguientes elementos, algunosde los cuales se clasifican como técnicos y otros como no técnicos:

– Datos del producto, como forma, dimensiones y especificaciones de la pieza.

– Atributos de administración de datos, como propietario, nivel de revisióny número de pieza.

– Datos de operación, como calendarización, tamaños de lote y requisitos deensamblaje.

– Datos de los recursos, como capital, equipo, herramientas y personal, asícomo sus posibilidades.

Las bases de datos las elaboran individuos y diversos sensores en la maqui-naria y el equipo que se emplean en la producción. Los datos de estos últimosse compilan en forma directa con un sistema de adquisición de datos que pue-de informar, por ejemplo, de la cantidad de piezas que se están produciendopor unidad de tiempo, de su precisión dimensional, acabado superficial, peso,etc., a frecuencias especificadas de muestreo. Los componentes del sistema deadquisición de datos incluyen microprocesadores, trasductores y conversores deanalógico a digital.

16.4. Diseño e ingeniería asistidos por computa-dora

El diseño asistido por computadora implica el uso de computadoras paracrear dibujos y modelos de producto. El diseño asistido por computadora sueleasociarse con gráficas interactivas en computadora, y se conoce como sistemacad (Computer-Aided Design). Estos sistemas son medios poderosos que se usanen el diseño mecánico y el modelado geométrico de productos y componentes.

286 16.4. Diseño e ingeniería asistidos por computadora

La ingeniería asistida por computadora (cae) implica la creación de la ba-se de datos, al permitir que diversas aplicaciones compartan la información dedicha base. Entre estas aplicaciones están, por ejemplo: el análisis de elementosfinitos para esfuerzos, deformaciones, deflexiones y distribución de temperaturaen estructuras y miembros de carga mediante rodamientos; la generación, alma-cenamiento y recuperación de datos de control numérico; y el diseño de circuitosintegrados y otros dispositivos electrónicos.

Al usar un sistema cad el diseñador puede conceptualizar el objeto a di-señar, con más facilidad, en la pantalla gráfica, y puede considerar diseños al-ternativos, o modificar con rapidez determinado diseño para cumplir con losrequisitos o cambios necesarios. Después puede someter el diseño a una varie-dad de análisis técnicos e identificar problemas potenciales, como por ejemplodemasiada carga o flexión. La velocidad y la precisión de dichos análisis superanen gran medida lo que se puede lograr con los métodos tradicionales.

El sistema cad produce en forma rápida y exacta los modelos de definiciónpara productos y sus componentes. Uno de los resultados de este sistema es lageneración de planos para fabricación, que en general tienen más alta calidady mejor consistencia que los producidos con el dibujo manual tradicional. Losdibujos se pueden reproducir cualquier cantidad de veces, y a distintos nivelesde reducción y ampliación.

16.4.1. Especificaciones de intercambio

Como se consigue una gran variedad de sistemas cad con distintas carac-terísticas, suministrados por diversos proveedores, ha surgido el problema dela comunicación e intercambio correcto de datos entre esos sistemas. En la ac-tualidad, la especificación de intercambio de gráficas iniciales (iges) cumplela necesidad de un solo formato neutral, para tener mejor compatibilidad. Losproveedores sólo deben proporcionar traductores para sus propios sistemas, re-procesar los datos en el formato neutral, y postprocesarlos del formato neutrala su propio sistema. La iges se usa para traducir en dos direcciones —entraday salida de un sistema— y también se usa mucho para traducción de datos delíneas en tres dimensiones y de superficie.

Un desarrollo más reciente es una norma basada en un modelo de cuerpo,llamada especificación de intercambio de datos de producto (pdes), que se basaen la iges. Aunque la iges es adecuada para la mayor parte de las necesidades,la pdes necesita menor tamaño de memoria y menor tiempo de ejecución, y esmenos propensa a errores. En la actualidad, se usan distintas normas en distintospaíses, pero se espera que pronto se conjuguen en una norma internacional,que se denominará norma para el intercambio de datos de modelo de producto(step).

16.4.2. Elementos de los sistemas CAD

Modelado geométrico En el modelado geométrico se describe en forma mate-mática o analítica un objeto físico, o cualquiera de sus piezas. Los modelos sepueden presentar en tres formas distintas:


– En la representación de línea, todas las aristas del modelo se muestrancomo líneas llenas. Esta imagen puede ser ambigua, en especial cuando lasformas son complicadas, por lo que se usan en general distintos colores enlas diferentes piezas del objeto, para que se pueda visualizar mejor.

Los tres tipos de representación en estructura de alambre son de 2, 2 1

2y 3

dimensiones. Una imagen en 2 dimensiones muestra el perfil del objeto. Sepuede obtener una imagen de 2 1

2dimensiones mediante una transforma-

ción de extrusión (translational sweept), i.e., moviendo el objeto de 2D alo largo del eje z. Para objetos redondos, se puede generar un modelo en2 1

2D girando un modelo de 2D en torno a su eje.

– En el modelo de superficie se muestran todas las superficies visibles en elmodelo.

– En el modelo del sólido se muestran todas las superficies, pero los datosdescriben el volumen interior. Los modelos de sólidos pueden construirse apartir de «sólidos primitivos» o con otras técnicas. En la representación decontornos (B-rep., de Boundary Representation) se combinan las superfi-cies para desarrollar un modelo de cuerpo. En la geometría constructiva delsólido (csg) se combinan formas sencillas, como esferas, cubos, bloques,cilindros y conos (sólidos primitivos) para obtener un modelo de sólido.

Existen programas disponibles en los que el usuario selecciona cualquiercombinación y tamaño de esos sólidos primitivos y los combina para formarel modelo de sólido que desea. Aunque los modelos de sólido tienen ciertasventajas, requieren más memoria de cálculo y tiempo de procesamientoque los modelos de estructura de alambre y de superficie.

La representación octree —representación de formas tridimensionales através de pixeles en una pantalla de computadora— de un objeto macizoes un análogo tridimensional a los pixeles de la pantalla de un televisor.Así como cualquier área se puede descomponer en cuadrantes, todos losvolúmenes se pueden descomponer en octantes, que a continuación se iden-tifican como sólidos, huecos o parcialmente llenos. Los voxeles (pixeles devolumen) parcialmente llenos se descomponen en octantes menores y sereclasifican. Al aumentar la resolución se alcanza un detalle excepcionalde la pieza.

Análisis y optimización del diseño Después de haber determinado las propie-dades geométricas de determinado diseño, el resultado se somete a un análisisde ingeniería. Esta fase puede consistir en analizar, por ejemplo, los esfuerzos,deformaciones, deflexiones, vibraciones, transferencia de calor, distribución detemperatura o tolerancias dimensionales. Se dispone de diversos y complejos pa-quetes de calendarización, con la capacidad de computar con exactitud y rapidezesas cantidades.

Revisión y evaluación del diseño Una etapa importante en el diseño es larevisión y la evaluación, para comprobar si existe alguna interferencia entre losdiversos componentes. Esta etapa se hace para evitar dificultades durante el

288 16.5. Manufactura asistida por computadora

ensamblaje y el uso de la pieza, y para determinar si las piezas móviles —como,por ejemplo, las articulaciones— van a operar como se pretende.

Existen programas que poseen funciones de animación, para identificar losproblemas potenciales con elementos móviles y otras situaciones dinámicas. Du-rante la etapa de revisión y evaluación del diseño, la pieza es dimensionada conprecisión y se establecen tolerancias, con todos los requisitos necesarios para sumanufactura.

Documentación y dibujo Después de terminar con las etapas anteriores, eldiseño se reproduce mediante máquinas automatizadas de dibujo, para su do-cumentación y referencia. En esta etapa también se desarrollan e imprimen losplanos de detalle y de trabajo. El sistema cad también es capaz de producirdibujos en diferentes vistas de la pieza, manejar escalas en los dibujos y efectuartransformaciones para presentar diversas perspectivas de la pieza.

Aunque gran parte del proceso de diseño en los sistemas cad se hacía antesen estaciones de trabajo conectadas a una computadora central, ha cambiadocon rapidez la tendencia hacia estaciones de trabajo independientes, poderosas,de alto rendimiento y mucho menos costosas, de 32 y de 64 bits.

16.5. Manufactura asistida por computadora

La manufactura asistida por computadora (cam) implica el uso de com-putadoras y de tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de lamanufactura de un producto, incluyendo la planificación del proceso y la pro-ducción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad. Elsistema cam abarca muchas de las tecnologías de automatización y de informa-tización. Debido a sus ventajas, se suelen combinar el diseño y la manufacturaasistidos por computadora en los sistemas cad/cam.

Esta combinación permite la transferencia de información dentro de la etapade diseño a la etapa de planificación para la manufactura de un producto, sinnecesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometríade la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el cad se almacena;posteriormente, ésta es procesada por el cam, para obtener los datos y loasinstrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción,el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadaspara establecer la calidad del producto.

Una función de cad/cam importante en operaciones de maquinado es laposibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operacio-nes, como por ejemplo torneado, fresado y taladrado con control numérico.

El surgimiento del cad/cam ha tenido un gran impacto en la manufacturaal normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño,pruebas y trabajo con prototipos; ha hecho posible reducir los costos en formaimportante, y mejorar la productividad.


Algunas aplicaciones características del cad/cam son las siguientes:

– Calendarización para control numérico, control numérico computerizadoy robots industriales.

– Diseño de dados y moldes para fundición en los que, por ejemplo, se pro-graman tolerancias de contracción.

– Dados para operaciones de trabajo de metales; por ejemplo, dados com-plicados para formado de láminas y dados progresivos para estampado.

– Diseño de herramientas y soportes, y electrodos para electroerosión.

– Control de calidad e inspección; por ejemplo, máquinas de medición porcoordenadas programadas en una estación de trabajo cad/cam.

– Planificación y calendarización de proceso.

– Distribución de planta.

16.6. Planificación de proceso asistido por com-putadora (CAPP)

La planificación de proceso se ocupa de la selección de métodos de produc-ción: herramientas, soportes, maquinarias, secuencia de operaciones y ensam-blaje.

La secuencia de los procesos y las operaciones que serán desarrollados, lasmáquinas que serán usadas, el tiempo establecido para cada operación y demásinformación similar se documentan en una hoja de ruta. Cuando se hace enforma manual, esta tarea requiere una labor muy intensa y un gran consumo detiempo, y además se basa mucho en la experiencia del planificador del proceso.Una tendencia actual en las hojas de ruta es guardar los datos importantes encomputadoras y asignar un código de barras u otra identificación a la pieza.Después se pueden revisar los datos de producción por medio de una estaciónde monitores.

La planificación de proceso asistida por computadora logra esta complejatarea de planificación al considerar toda la operación como un sistema integrado,de tal modo que las operaciones y pasos individuales que intervienen en lafabricación de cada pieza se coordinan con otras y se efectúan en forma eficientey fiable. Así, la planificación de proceso asistida por computadora es un apéndiceimportante al cad/cam.

16.6.1. Elementos de los sistemas CAPP

Hay dos tipos de sistemas de planificación de proceso asistidos por compu-tadora: planificación de procesos variante y regenerativa.

290 16.6. Planificación de proceso asistido por computadora (CAPP)

– En el sistema variante —denominado también sistema derivativo—, losficheros de cómputo contienen un plan patrón de proceso para la pieza quese va a fabricar. Con el número de clave de la pieza se hace la búsquedade un plan regular; el plan se basa en su forma y sus características demanufactura. El plan regular se llama, se presenta para su revisión y seimprime en forma de hoja de ruta.

En el plan de proceso se incluye información como tipos de herramientasy máquinas que se van a usar, secuencia de operaciones de manufacturaque se desarrollarán, velocidades, avances, tiempo requerido para cadasecuencia, etcétera. También se pueden hacer modificaciones pequeñas aun plan de proceso existente.

– En el sistema generativo se genera en forma automática un plan de proce-so, con base en los mismos procedimientos lógicos que seguiría un planea-dor tradicional para fabricar determinada pieza. Sin embargo, este sistemaes complicado porque debe contener conocimientos claros y detallados dela forma y las dimensiones de la pieza, las posibilidades del proceso, laselección de métodos, maquinaria y herramientas de manufactura, y elorden de las operaciones que se desarrollarán.

Las posibilidades de planificación del proceso por pieza de las computadorasse pueden integrar en la planificación y el control de los sistemas de producción.Se pueden efectuar varias funciones, como la planificación de capacidad, para quelas plantas cumplan con los programas de producción, el control de inventarios,compras y la calendarización de la producción.

16.6.2. Ventajas de los sistemas CAPP

Las principales ventajas de los sistemas capp sobre los métodos tradicio-nales de planificación de proceso son las siguientes:

– La normalización de los planes de proceso mejora la productividad de losplanificadores,reduce los tiempos de retraso y los costos de planificación,y mejora la consistencia en la calidad y fiabilidad del producto.

– Se pueden preparar planes de proceso para piezas con formas y caracte-rísticas parecidas, y se pueden llamar con facilidad para producir nuevaspiezas.

– Se pueden modificar los planes de proceso para adaptarse a necesidadesespecíficas.

– Las hojas de ruta se pueden preparar más rápidamente. En comparacióncon las hojas de ruta tradicionales, escritas a mano, la preparación impresapor computadora es más limpia y legible.

– Otras funciones, tales como estimaciones de costo y normas de trabajo,pueden ser incorporadas al capp.


16.6.3. Planificación de los requisitos de materiales y plani-ficación de recursos de manufactura

Los sistemas computerizados para administrar inventarios y fechas de entre-ga de materias primas y herramientas se denominan planificación de requisitos demateriales (mrp-i). Esta actividad, que a veces es considerada como un métodode control de inventarios, implica mantener registros completos de inventariosde materiales, suministros, piezas en diversas etapas de producción (trabajo enproceso), pedidos, compras y calendarización.

En un programa maestro de producción suelen intervenir varios ficheros dedatos. Estos ficheros pertenecen a las materias primas necesarias (lista de mate-riales), niveles de estructura del producto —artículos individuales que formanun producto, como piezas, subensambles y ensambles— y calendarización.

Un desarrollo más es la planificación de recursos de manufactura (mrp-ii)que, mediante retroalimentación, controla todos los aspectos de planificación demanufactura. Aunque el sistema es complejo, el mrp-ii es capaz de hacer lacalendarización final de la producción, de vigilar los resultados reales en térmi-nos de eficiencia y producción, y de comparar esos resultados con el programamaestro de producción.

Un logro más reciente es la planificación de recursos de la empresa (erp)que implica también las cuestiones de marketing y de comercio en el programa yla base de datos. El programa erp ya se puede conseguir, pero aún se encuentraen evolución.

16.7. Simulación de los procesos y sistemas demanufactura por computadora

Con el creciente desarrollo de los componentes y programas de cómputo,un área que ha crecido con rapidez es la simulación por computadora de losprocesos y de los sistemas de manufactura. La simulación del proceso toma dosformas básicas: por una parte, es un modelo de operación específica que pretendedeterminar la viabilidad de un proceso o de optimizar o mejorar su rendimiento;por otra, modela varios procesos y sus interacciones, y ayuda a los planificadoresde proceso y a los diseñadores de planta a distribuir maquinaria e instalaciones.

Se han modelado procesos individuales usando diversos esquemas matemá-ticos. Siempre se ha aplicado el análisis de elementos finitos en paquetes deprogramas (simulación del proceso) asequibles en el mercado y poco costosos.Entre los problemas característicos que se plantean están la viabilidad del pro-ceso y su optimización.

La simulación de todo un sistema de manufactura que implique varios pro-cesos y equipos ayuda a los ingenieros de planta a organizar la maquinaria eidentificar elementos críticos de ella. Además, estos modelos pueden ayudar alos ingenieros de manufactura, con la calendarización y determinación de rutas

292 16.8. Tecnología de grupos

mediante simulación de eventos discretos. Los paquetes comerciales de programase usan con frecuencia para estas simulaciones, pero no es raro tener paquetesdedicados de programas escritos para una determinada empresa.

16.8. Tecnología de grupos

Hemos visto que muchas de las piezas producidas tienen ciertas semejan-zas en su forma y en su método de manufactura. En forma tradicional, se haconsiderado a cada pieza como una entidad separada y se ha producido en lotesindividuales. La tecnología de grupos es un concepto que pretende aprovecharlas semejanzas en diseño y procesamiento entre las piezas que se producirán.

Este concepto, desarrollado primero en Europa a comienzos de la décadade 1960, se inicia clasificando las piezas y registrándolas (en aquella época, enforma manual, en archivos de tarjetas o en catálogos). Entonces se recuperabanlos diseños en forma manual, conforme se necesitaban. Este concepto comenzó aevolucionar más en la década de 1950 y se usó el término de tecnología de grupospor primera vez en 1959. Sin embargo, el uso de la tecnología de grupos crecióen forma apreciable hasta que se extendió el uso de computadoras interactivas,en la década de 1970.

La semejanza en las características de piezas similares parece indicar que sepueden alcanzar beneficios importantes mediante la clasificación y codificaciónde dichas piezas en familias. Con encuestas en plantas manufactureras se hademostrado en forma repetida lo común de la semejanza en las piezas. Esasencuestas consisten en separar cada producto en sus componentes, y despuésidentificar las piezas similares.

Este método se hace especialmente atractivo cuando se considera la deman-da del consumidor de una variedad grande de productos, cada uno en pequeñascantidades. Bajo esas condiciones, es difícil mantener alta eficiencia en opera-ciones intermitentes. La eficiencia general de la manufactura queda afectada enforma negativa, porque casi las tres cuartas partes de la manufactura actual espor lotes.

En la distribución tradicional del producto en una operación manufacturera(distribución funcional) suele haber mucho movimiento aleatorio. Ese arreglono es eficiente, porque hace perder tiempo y esfuerzos. Las máquinas en lamanufactura celular se arreglan en una línea de flujo más eficiente (distribuciónen grupo).

16.8.1. Ventajas de la tecnología de grupos

Las principales ventajas de la tecnología de grupos son las siguientes:

– Hace posible la normalización del diseño de la pieza y la minimización deduplicidades de diseño. Los nuevos diseños de la pieza se pueden desarrollar


usando diseños semejantes, pero anteriores, para esa forma, ahorrar unaporción importante de tiempo y esfuerzos. El diseñador de producto puededeterminar con rapidez si ya existen datos acerca de determinada pieza enlos ficheros de computadora.

– Los datos que reflejan la experiencia del diseñador y del planificador delproceso de manufactura se guardan en la base de datos. Así, un ingenieronuevo y con menos experiencia se puede beneficiar con rapidez de dichaexperiencia, llamando a cualquiera de los diseños y planes de proceso an-teriores.

– Se pueden estimar con más facilidad los costos de manufactura, y se pue-den obtener con más facilidad las estadísticas sobre materiales, procesos,cantidad de piezas producidas y demás factores.

– Se normalizan y programan los planes de proceso con más eficiencia, seagrupan los pedidos para tener una producción más eficiente y se mejorala utilización de las máquinas. Los tiempos de preparación se reducen y seproducen las piezas con más eficiencia y con mejor calidad de producto. Seplanifican herramientas, soportes y maquinaria semejantes en la produc-ción de una familia de piezas. La calendarización para el control numéricoaumenta su grado de automatización.

– Con la implementación de cad/cam, manufactura celular y manufacturaintegrada por computadora, la tecnología de grupo es capaz de mejorar laproductividad y reducir los costos de producción en lotes pequeños hastatal grado que se aproximen a los de la producción en masa. Dependiendodel nivel de implementación, los ahorros potenciales en cada una de lasdiversas fases de diseño y manufactura pueden ir del 5 al 75 por ciento.

16.8.2. Clasificación y codificación de las piezas

En la tecnología de grupos, las piezas son identificadas y agrupadas enfamilias mediante sistemas de clasificación y codificación. Este proceso es unprimer paso, crítico y complicado, en la tecnología de grupos. Se hace de acuerdocon los atributos de diseño y de manufactura de la pieza.

Los atributos de diseño pertenecen a semejanzas en características geomé-tricas y consisten en los siguientes: formas y dimensiones internas y externas;relaciones de aspecto; tolerancias dimensionales; acabados superficiales; funcio-nes de las piezas.

Los atributos de manufactura incluyen las semejanzas en los métodos y lasecuencia de las operaciones de manufactura que se ejecutan en la pieza. Comohemos visto, la selección de uno o varios procesos de manufactura depende demuchos factores, entre los cuales están la forma, dimensiones y otras propiedadesgeométricas de la pieza. En consecuencia, se interrelacionan los atributos demanufactura y de diseño. Los atributos de manufactura de una pieza consistenen lo siguiente: los procesos primarios empleados; los procesos secundarios yde acabado usados; las tolerancias dimensionales y el acabado superficial; la

294 16.8. Tecnología de grupos

secuencia de operaciones que se efectúa; las herramientas, dados, soportes ymaquinaria que se usa; la cantidad y la rapidez de la producción.

En su forma más simple, se puede hacer la codificación considerando las for-mas de las piezas en forma genérica, para después clasificarlas en consecuencia—por ejemplo, las piezas que tienen simetría axial, las que tienen forma rectilí-nea y las que poseen grandes relaciones entre superficie y grosor—. También sepueden clasificar las piezas estudiando su flujo de producción durante el ciclode manufactura; a este método se le denomina análisis de flujo de producción.Las hojas de ruta muestran con claridad los planes del proceso y las operacio-nes que se van a ejecutar. Sin embargo, una desventaja del análisis del flujo deproducción es que determinada hoja de ruta no necesariamente indica que estéoptimizada la operación manufacturera en su totalidad.

16.8.3. Codificación

Debido a la amplia variedad existente en los sistemas de clasificación y co-dificación de producto, y a las necesidades de la organización, no se ha adoptadoen forma universal ninguno de los sistemas de clasificación y codificación. Yasea que se desarrolle en la empresa o se compre, el sistema debe ser compatiblecon los demás sistemas de la empresa.

En los sistemas de codificación, a cada componente específico de un pro-ducto se le asigna una clave o código. Este código puede implicar sólo a losatributos de diseño (en general, menos de doce dígitos) o sólo a los atributosde manufactura; sin embargo, los sistemas más avanzados incluyen a ambos, yusan hasta treinta dígitos.

Se tienen tres niveles de codificación básicos, que varían en complejidad:

– Codificación jerárquica. En este código (también denominado monocódi-go), la interpretación de cada dígito depende del valor del anterior. Cadasímbolo amplía la información contenida en el anterior. La ventaja de es-te sistema es que una clave corta puede contener una gran cantidad deinformación. Sin embargo, este método es difícil de aplicar en un sistemacomputerizado.

– Policódigos. En este código (denominado también tipo cadena), cada dí-gito tiene su propia interpretación, que no depende del precedente. Estaestructura tiende a ser relativamente larga, pero permite identificar losatributos de determinada pieza y se presta bien a su implementación enla computadora.

– Codificación en forma de árbol de decisiones. Este sistema (denominadotambién códigos híbridos) es el más avanzado y combina los atributos dediseño y de manufactura.


16.8.4. Sistemas de codificación

– El sistema Opitz fue desarrollado por H. Opitz en Alemania en la décadade 1960 y fue el primer sistema de codificación detallado en presentarse.El código básico consiste en nueve dígitos (123456789) que representan losdatos de diseño y de manufactura. Para identificar el tipo y la secuenciade operaciones de producción se pueden usar cuatro códigos adicionales(ABCD). Este sistema posee dos inconvenientes: es posible tener códigosdistintos para piezas que poseen atributos de manufactura semejantes; yvarias piezas con formas diferentes pueden tener el mismo código.

– El sistema MultiClass fue desarrollado originalmente con el nombre Mil-class (Metal Institute Clasification System) por la Organización Holandesade Investigación Científica, y fue vendido en Estados Unidos por la Or-ganización para la Investigación Industrial. Este sistema fue desarrolladopara ayudar a automatizar y normalizar diversas funciones de diseño, pro-ducción y administración. Multiclass implica 30 dígitos; se usa en formainteractiva con una computadora que hace varias preguntas al usuario. Deacuerdo con las respuestas, la computadora asigna un número de códigoa la pieza. Los programas están disponibles en módulos que se puedeninterrelacionar. Cuestan entre cincuenta mil y quinientos mil dólares, de-pendiendo de sus posibilidades.

– El sistema K-3 es de propósito general, para clasificación y codificaciónde piezas que se van a maquinar o a rectificar. Fue desarrollado por laSociedad Japonesa para la Promoción de la Industria de Máquinas a finalesde 1970, y usa un sistema decimal de 21 dígitos.

16.9. Manufactura celular

Se puede implementar bien el concepto de tecnología de grupo en la ma-nufactura celular, que consiste en una o más celdas de manufactura. Una celdade manufactura es una unidad pequeña, con una o varias estaciones de trabajo,dentro de un sistema de manufactura. Una estación de trabajo suele conteneruna máquina (celda de una máquina) o varias (celda de grupo de máquinas),efectuando cada máquina una operación diferente en la pieza.

Se ha utilizado la manufactura celular principalmente en operaciones demaquinado y de conformado de lámina metálica. Las máquina herramientasque se usan con frecuencia en las celdas de manufactura son tornos, fresadoras,taladros, rectificadoras, electroerosionadoras, punzonadoras, dobladoras y cen-tros de maquinado. Este equipo también puede estar reforzado por máquinas depropósito especial o de máquinas con control numérico computerizado.

La manufactura celular tiene cierto grado de control automático para lassiguientes operaciones: carga y descarga de materias primas y piezas en lasestaciones de trabajo; cambio de herramientas; transferencia de piezas y herra-mientas entre estaciones; calendarización y control de la operación total en lacelda.

296 16.10. Sistemas flexibles de manufactura

Las características importantes de la manufactura celular son la economíade tener menos trabajo en proceso y el hecho de que se detectan en formainmediata los problemas de calidad, para alcanzar mejor productividad. Además,por la diversidad de máquinas y procesos que intervienen, el operador se hacemultifuncional, y no está sujeto al tedio como cuando siempre trabaja en lamisma máquina.

Diseño de celdas de manufactura Debido a las particularidades exclu-sivas de las celdas de manufactura, su diseño e implementación en las plantastradicionales requieren la reorganización de la planta y el rearreglo de las lí-neas de flujo de producto existentes. Las máquinas pueden ser arregladas enuna línea, en una U o una L, o bien en un circuito. Para una celda de gru-po de máquinas, el arreglo en U es adecuado y eficiente, porque el operadorpuede alcanzar diversas máquinas con facilidad. Con el manejo mecanizado demateriales, el arreglo lineal y en circuito son más eficientes.

16.9.1. Celdas de manufactura flexible

En vista de los rápidos cambios en la demanda del mercado y de la necesi-dad de más variedad de productos en menores cantidades, es muy conveniente laflexibilidad de operaciones de manufactura. Las celdas de manufactura puedenvolverse flexibles al incorporar máquinas y centros de maquinado con controlnumérico computerizado, y mediante robots industriales u otros sistemas meca-nizados de manejo de materiales.

En general, las celdas de manufactura flexible no están atendidas por hu-manos, por lo que su diseño y operación deben ser más precisos que los de otrasceldas. Son importantes la selección de máquinas y robots, incluyendo los tiposy capacidades de efectores finales y de sus sistemas de control, para tener unfuncionamiento correcto de la celda de manufactura flexible.

Al igual que ocurre con otros sistemas de manufactura, el costo de las cel-das flexibles es alto. La manufactura celular suele requerir más máquinas herra-mientas y por consiguiente aumenta el costo de manufactura. Sin embargo, estadesventaja queda más que compensada al incrementar la velocidad, flexibilidady facilidad de control de la manufactura. El mantenimiento adecuado de lasherramientas y de la maquinaria es esencial, al igual que la implementación defuncionamiento de las celdas en dos o en tres turnos.

16.10. Sistemas flexibles de manufactura

Un sistema flexible de manufactura, o sistema de manufactura flexible (fms)integra todos los elementos principales de la manufactura en forma de un sis-tema muy automatizado. Estos sistemas comenzaron a usarse a finales de ladécada de 1960, y consisten en varias celdas de manufactura, cada una con unrobot industrial que da servicio a varias máquinas de control numérico com-


puterizado, y en un sistema automatizado de manejo de materiales, todos ellosinterrelacionados mediante una computadora central. Se pueden emitir distintasinstrucciones desde la computadora para el proceso de manufactura, sobre cadapieza constitutiva que pasa por la estación de trabajo.

Este sistema está altamente automatizado y es capaz de optimizar cadapaso de la operación total de manufactura. Estos pasos pueden implicar uno omás procesos y operaciones (como maquinado, rectificado, corte, conformado,pulvimetalurgia, tratamiento térmico y acabado), así como el manejo, inspeccióny ensamblaje de las materias primas.

Los sistemas flexibles de manufactura representan el máximo nivel de efi-ciencia, complejidad y productividad que se ha alcanzado en las plantas ma-nufactureras. La flexibilidad de estos sistemas es tal que se pueden manejardiversas configuraciones de piezas y ponerlas en cualquier orden.

Se puede considerar que un sistema flexible de manufactura es aquel quecombina las ventajas de otros dos sistemas: las líneas de transferencia y la pro-ducción de trabajo de taller. Uno de los atributos principales de la fms es larespuesta rápida a variaciones de producto y demandas de mercado.

16.10.1. Elementos de sistemas flexibles de manufactura

Los elementos básicos de un sistema flexible de manufactura son: estacio-nes de trabajo, manejo y transporte automatizados de materiales y piezas, ysistemas de control. Las estaciones de trabajo se arreglan para alcanzar la má-xima eficiencia en la producción, con un flujo ordenado de materiales, piezas yproductos por sistema.

Para tener flexibilidad en los sistemas flexibles de manufactura, son impor-tantes los sistemas de manejo de materiales, almacenamiento y recuperación. Elmanejo de materiales se controla con una computadora central y se hace median-te vehículos de guiado automático, transportadores y diversos mecanismos detransferencia. El sistema es capaz de transportar materias primas, piezas brutasy piezas en diversas etapas de terminación hasta cualquier máquina (en ordenaleatorio) y en cualquier momento. Las piezas prismáticas se suelen mover enpalés de diseño especial. Las piezas con simetría axial —como, por ejemplo, lasque van a operaciones de torneado— se suelen mover con dispositivos mecánicosy con robots.

16.10.2. Calendarización

Como un sistema flexible de manufactura implica una gran inversión decapital, es esencial la utilización eficiente de las máquinas; éstas no deben estarociosas. En consecuencia, son fundamentales una calendarización y una planifi-cación de proceso adecuadas.

La calendarización para el sistema flexible de manufactura es dinámica, adiferencia de la que se usa en los talleres, donde uno se apega a un programa

298 16.10. Sistemas flexibles de manufactura

relativamente rígido para efectuar un conjunto de operaciones. El sistema decalendarización para la manufactura flexible especifica los tipos de operacionesque se deben ejecutar sobre cada pieza e identifica las máquinas o las celdas demanufactura que se deben usar. La calendarización dinámica puede responder acambios repentinos del tipo de producto, por lo que puede responder a decisionesen tiempo real.

Por la flexibilidad en un sistema flexible de manufactura, no se desperdiciatiempo de preparación al cambiar entre operaciones de manufactura; el siste-ma es capaz de efectuar operaciones varias en distintos órdenes y en máquinasdiferentes. Sin embargo, se deben comprobar las características, eficiencia y fia-bilidad de cada unidad del sistema, para asegurar que las piezas que pasan deuna estación de trabajo a otra sean de calidad y precisión dimensional acepta-bles.

16.10.3. Justificación económica de los sistemas flexibles demanufactura

Debe efectuarse un análisis detallado de costes y beneficios antes de tomaruna decisión acerca de la implantación de esta clase de sistemas. Dicho análisisdebe incluir factores tales como el costo del capital, de la energía, materiales ymano de obra, los mercados esperados de los productos que se van a fabricary todas las fluctuaciones previstas en la demanda del mercado y el tipo deproducto. Un factor adicional es el tiempo y actividades requeridos para instalary revisar el sistema.

En forma característica, un sistema flexible de manufactura puede requerirentre dos y cinco años para la instalación, y un mínimo de seis meses paraarreglar los errores. Aunque requiere pocos operadores de máquina, si es que losnecesita, el personal a cargo de toda la operación debe estar muy capacitado.

Las aplicaciones más eficaces de los sistemas flexibles de manufactura hanresidido en la producción intermitente de volumen medio. Cuando se va a pro-ducir una diversidad de piezas, estos sistemas son adecuados para volúmenesde producción de 15000 a 35000 piezas agregadas por año. Para piezas indivi-duales de la misma configuración, la producción puede llegar a 100000 unidadesanuales. En contraste, la producción de piezas de alto volumen y poca varie-dad, se obtiene mejor con máquinas de transferencia (equipo dedicado). Porúltimo, la producción de piezas de bajo volumen y con gran variedad, se puedehacer en maquinaria convencional (con o sin control numérico) o en centros demaquinado.

En comparación con los sistemas convencionales de manufactura, algunasde las ventajas de los sistemas flexibles son las siguientes:

– Las piezas pueden ser producidas en forma aleatoria, en tamaños de lotedesde una pieza y a menor costo unitario.

– Se reduce la mano de obra directa y los inventarios, y se obtienen grandesahorros con respecto a los sistemas convencionales.


– Los tiempos de inicio necesarios para cambios de producto son más cortos.

– La producción es más fiable, porque el sistema se autocorrige, por lo quela calidad del producto es uniforme.

– Se reducen los inventarios de trabajo en proceso.

16.11. Producción justo a tiempo

El concepto de producción justo a tiempo (jit) fue implementado en Japónpara eliminar el desperdicio de materiales, máquinas, capital, mano de obra einventario de todo el sistema de manufactura. El jit posee los siguientes objeti-vos: recibir los suministros justo en el momento en que se emplearán; producirpiezas justo a tiempo para armarlas en subensambles; tener estos preparadosjusto a tiempo para armarlos y obtener los productos terminados, y producir yentregar los productos terminados justo a tiempo para venderlos.

En la manufactura tradicional, las piezas se fabrican en lotes, se llevana un almacén y se usan cuando sea necesario. Este sistema se conoce comosistema de empuje, para indicar que se fabrican las piezas según un calendarioy se encuentran en inventario para ser usadas si y cuando se necesiten. Por elcontrario, el sistema justo a tiempo es un sistema de tracción, cuando las piezasse producen sobre pedido, y la producción se hace coincidir con la demanda delos ensambles o productos terminados.

No hay material acumulado, y la cantidad ideal de producción es uno (ceroinventarios, producción sin existencias, calendarización de la demanda). Ade-más, las piezas son inspeccionadas por el trabajador a medida que se manufac-turan, y se usan tras un breve lapso.

De este modo, el trabajador posee un control continuo sobre la produccióne identifica de inmediato las piezas defectuosas; además, reduce la variación delproceso necesaria para producir piezas de alta calidad. Además, se eliminan losmovimientos adicionales para acumular las piezas, primero, y después sacar-las del almacenamiento. Los altos niveles de inventario pueden enmascarar losproblemas de calidad y de producción con piezas que ya estén almacenadas.

El concepto jit incluye, dándole la máxima importancia, la entrega a tiem-po de suministros y piezas de los proveedores externos y de otras divisiones deuna empresa, y por lo mismo reduce el inventario en planta. En consecuencia, sehan producido grandes reducciones en las instalaciones de almacenamiento, y elespacio destinado a este fin se ha dedicado a fines productivos. De hecho, el con-cepto de construir grandes almacenes de piezas ha quedado obsoleto. Se esperaque los proveedores entreguen sus artículos, preinspeccionados diariamente, ocuando se necesiten en la producción. Este método requiere proveedores fiables,una colaboración y confianza estrecha entre la empresa y sus proveedores y unsistema fiable de transporte. Asimismo, es importante, para una producciónuniforme, la reducción del número de proveedores.

300 16.12. Redes de comunicaciones en la manufactura

16.11.1. Kanban

Aunque el concepto básico del jit se desarrolló hace varias décadas enEstados Unidos, fue demostrado por primera vez a gran escala en la ToyotaMotor Company, bajo el nombre de kanban, que quiere decir registro visible.Estos registros suelen consistir en dos tipos de tarjetas (kanbans): la tarjetade producción, que autoriza la producción de un recipiente o carrito de piezasidénticas y especificadas en una estación de trabajo, y tarjeta de transmisión ode movimiento, que autoriza la transferencia de un recipiente o carrito de piezasde determinada estación de trabajo a la estación donde se usarán las piezas.

16.11.2. Ventajas del sistema JIT

Las ventajas del jit son las siguientes: bajos costes de inventario; detecciónrápida de defectos en la producción o en la entrega de suministros y, en conse-cuencia, bajas pérdidas por desperdicios; menor inspección y reprocesamientode piezas; producción de piezas de gran calidad y bajo coste.

Aunque puede haber variaciones importantes, la implementación de la pro-ducción justo a tiempo ha resultado en reducciones: entre el 20 y el 40 por cientodel coste del producto, entre el 60 y el 80 por ciento de los inventarios y hastaen el 90 por ciento de los rechazos; de 90 por ciento en los tiempos de inicio yde 50 por ciento en gastos de desecho, reprocesamiento y garantías. Además, sedan aumentos de entre el 30 y el 50 por ciento en productividad de mano deobra directa y de 60 por ciento en productividad de mano de obra indirecta.

16.12. Redes de comunicaciones en la manufac-tura

Para mantener un alto grado de coordinación y eficiencia de operación enla manufactura integrada, se requiere de una extensa red de comunicaciones, dealta velocidad e interactiva. Un gran avance en la tecnología de comunicacioneses la red de área local (lan). Una red de área local puede ser muy grande ycomplicada, enlazando cientos o hasta miles de máquinas y dispositivos en variosedificios. Se usan diversas distribuciones de red de cables de fibra óptica o decobre a distancias desde algunos metros hasta 32 km. Para mayores distanciasse usan las redes de área extensa (wan).

Se pueden enlazar (o integrar) distintos tipos de redes mediante puertasy puentes. El control de acceso a la red es importante, porque de otro modopuede haber colisiones cuando varias estaciones de trabajo transmiten de formasimultánea. Es esencial el examen o barrido continuo del medio transmisor.

En la década de 1970 se desarrolló e implementó como Ethernet un sistemasensor de múltiple acceso con detección de colisiones (csma/cd). Hoy lo usala mayor parte de las estaciones de trabajo y minicomputadoras. Ethernet se


ha vuelto la norma en la industria. Otros métodos de control de acceso son lastopologías de anillo (token ring) y bus (token bus), donde un token, o mensajeespecial, pasa de uno a otro dispositivo. Sólo se permite transmitir al que tieneel mensaje especial, mientras que todos los demás sólo lo reciben.

16.12.1. Normas o estándares de comunicación

Las computadoras de cada celda poseen sus propias especificaciones y nor-mas patentadas y no se pueden comunicar con otras en el exterior de la celdaa menos que posean unos adecuados interfaces. Esta situación creó «islas deautomatización», y en algunos casos hasta el 50 por ciento del costo de la au-tomatización se dedicaba a superar las dificultades en las comunicaciones entrelas celdas individuales de manufactura y otras piezas de la organización.

La existencia de celdas automatizadas que sólo pueden funcionar en formaindependiente entre sí, y sin una base común de transferencia de información,condujo a la necesidad de una norma de comunicaciones para mejorar las comu-nicaciones y la eficiencia de la manufactura integrada por computadora. El pri-mer paso hacia la normalización se dio en 1980. Después de bastantes esfuerzosy con base en las normas existentes, nacionales e internacionales, se desarrollóun conjunto de normas de comunicación llamado protocolo de automatizaciónde la manufactura (map).

A nivel mundial, se aceptó el modelo de referencia Interconexión de SistemaAbierto (osi) de la iso. El modelo iso/osi posee una estructura jerárquica, en laque la comunicación entre dos usuarios está dividida en siete capas. Cada capaposee un cometido especial: medios mecánicos y electrónicos de transmisiónde datos; detección y corrección de errores; transmisión correcta del mensaje;control del diálogo entre usuarios; traducción del mensaje en una sintaxis común;verificación de que los datos transferidos se han comprendido.

Una importante tendencia actual es hacia el uso de herramientas de In-ternet —componentes, programas y protocolos— dentro de una empresa, paraenlazar a todos los departamentos y funciones en una Intranet autoconteniday totalmente compatible. Se venden en el comercio varias herramientas paraimplementar este enlace; son poco costosos y fáciles de instalar, integrar y usar.

16.13. Inteligencia artificial

La inteligencia artificial es la pieza de la ciencia computacional que se ocupade sistemas que presentan algunas de las características que se suelen asociar ala inteligencia en el comportamiento humano (como aprendizaje, razonamiento,solución de problemas y comprensión del lenguaje). El objetivo de la ia essimular esos comportamientos humanos en la computadora. El arte de trasladarlos principios y herramientas relevantes de la ia a la solución de problemas dedifícil aplicación se denomina ingeniería del conocimiento.

302 16.13. Inteligencia artificial

La inteligencia artificial está influyendo mucho sobre el diseño, la automati-zación y la economía general de las operaciones de manufactura, en gran partedebido a los avances en aumento de memoria en las computadoras —vlsi— ysus costos decrecientes.

Elementos de inteligencia artificial En general, las aplicaciones de la inteli-gencia artificial en la manufactura abarcan las siguientes actividades: sistemasexpertos, lenguaje natural, visión de máquina, redes neuronales y lógica difusa.

16.13.1. Sistemas expertos

Un sistema experto —denominado también sistema basado en el conoci-miento— se define en general como un programa inteligente de cómputo queposee la capacidad de resolver problemas difíciles de la vida real mediante el usode procedimientos de base de conocimientos y de inferencia. La meta que persi-gue un sistema experto es la capacidad de efectuar una tarea intelectualmentedifícil como lo haría un ser humano experto.

El campo de conocimiento requerido para efectuar esta tarea se llama domi-nio del sistema experto. Los sistemas expertos usan una base de conocimientoque contiene hechos, datos, definiciones e hipótesis. También poseen la capa-cidad de seguir un método heurístico, i.e., de hacer buenos juicios con baseen descubrimientos y revelaciones, y hacer proposiciones de gran probabilidad,como lo haría una persona experta.

La base de conocimientos se expresa en programas de cómputo (por logeneral en forma de reglas if-then) y puede generar una serie de preguntas. Losmecanismos de aplicación de esas reglas para resolver problemas se denominanmotores de inferencia. Los sistemas expertos también se pueden comunicar conotros paquetes de programas de cómputo.

Los sistemas expertos funcionan en tiempo real, y su reacción en tiemposcortos permite dar respuestas rápidas a los problemas. Los lenguajes de calen-darización que más se usan para esta aplicación son C++, LISP y PROLOG;también se pueden usar otros lenguajes. Un desarrollo importante son los con-troladores núcleos o ambientes de sistemas expertos —también denominadossistemas de estructuras—. Estos paquetes de calendarización son en esenciaesquemas de sistema experto que permiten a una persona escribir aplicacionesespefícias que se adapten a necesidades especiales. Para escribir estos programasse requiere mucha experiencia y tiempo.

Desde la década de 1970 se han desarrollado y empleado varios sistemasexpertos, que usan computadoras de diversas capacidades, para aplicacionesespecializadas como las siguientes:

– Diagnóstico de problemas en varios tipos de máquinas y equipo, y deter-minación de acciones correctivas.

– Modelado y simulación de instalaciones de producción.


– Diseño, planificación de procesos y calendarización de producción asistidospor computadora.

– Administración de la estrategia de manufactura de una empresa.

16.13.2. Procesamiento de lenguaje natural

La forma tradicional de obtener información de una base de datos en lamemoria de una computadora es usar programadores para que traduzcan laspreguntas, hechas en lenguaje natural, a «consultas» en algún lenguaje de má-quina. Las interfaces entre el lenguaje natural y los sistemas de bases de datosestán desarrollándose en diversas etapas. Estos sistemas permiten que un usua-rio obtenga información tecleando comandos, por ejemplo en inglés, en formade preguntas sencillas.

Se dispone de paquetes de calendarización y se usan en aplicaciones comocalendarización del flujo de material en manufactura y en el análisis de bases dedatos de información. Se están haciendo importantes progresos en programasde cómputo que tengan síntesis y reconocimiento del habla (reconocimiento devoz ) par eliminar la necesidad de teclear los comandos.

16.13.3. Sistemas de visión

Las computadoras y los programas que implementan la inteligencia artificialse complementan con cámaras y demás sensores ópticos. A continuación, esossistemas inteligentes ejecutan operaciones tales como inspección, identificación,clasificación de piezas y guiado de robots (robots inteligentes), operaciones quede otra manera requerirían la intervención humana.

16.13.4. Redes neuronales artificiales

Aunque las computadoras son mucho más rápidas que el cerebro huma-no para hacer tareas secuenciales, los humanos son mucho mejores en tareasbasadas en modelos o patrones, que se pueden resolver con procesamiento enparalelo, como por ejemplo en el reconocimiento de propiedades, en evaluaciónrápida de situaciones y en ajustarse a condiciones dinámicas nuevas. Esas ven-tajas también se deben en parte a la capacidad de los humanos para usar variossentidos en forma simultánea y en tiempo real. La rama de la inteligencia artifi-cial denominada redes neuronales artificiales trata de adquirir algunas de estascapacidades a través de imitación, con computadora, de la forma en que losdatos son procesados por le cerebro humano.

El cerebro humano tiene unas cien mil millones de neuronas interconectadas,y más de mil veces esa cifra de conexiones. Cada neurona sólo ejecuta una únicay sencilla tarea: recibe señales de entrada desde un conjunto fijo de neuronas;cuando se relacionan esas señales de entrada en determinada forma (específicapara cada neurona particular), genera una señal electroquímica de salida que va

304 16.13. Inteligencia artificial

a un conjunto fijo de neuronas. Hoy se cree que el aprendizaje humano se logramediante cambios en la intensidad de las conexiones de señal entre neuronas.

Una red de alimentación positiva, totalmente desarrollada, es el tipo máscomún de red neuronal artificial, y se construye siguiendo ese principio, a travésde varias capas de elementos de procesamiento que simulan las neuronas. Loselementos en la primera capa (entrada) se alimentan con datos, por ejemplo defuerzas, velocidades y tensiones. Cada elemento suma todas sus entradas: unapor elemento en la capa de entrada, muchas por elemento en las capas siguientes.Cada elemento en una capa transfiere entonces los datos —de acuerdo con unafunción de transferencia— a todos los elementos de la siguiente capa. Cadaelemento de esa capa recibe, sin embargo, una señal distinta, a causa de losdistintos factores de ponderación o pesos de conexión entre los elementos.

La última capa es la de salida, dentro de la cual cada elemento se comparacon la salida deseada: la el proceso que es simulado. La diferencia entre la salidadeseada y la calculada (el error) se realimenta a la red, cambiando los pesosde las conexiones en una forma tal que se reduce el error. Después de haberrepetido varias veces ese procedimiento, la red se ha adiestrado y ya se puedeusar con datos de entrada que no se habían presentado antes a este sistema.

La propiedad común de esas redes neuronales es que se deben adiestrar conejemplos concretos. En consecuencia, es muy difícil formular en forma matemá-tica relaciones entre entrada y salida y predecir el comportamiento de una redneuronal artificial cuando las entradas no se han adiestrado.

Las redes neuronales artificiales se están usando en aplicaciones tales comoreducción de ruido en los teléfonos, reconocimiento de voz y control de procesos.Por ejemplo, se pueden usar para predecir el acabado superficial de una piezaobtenida con fresado lateral, sobre la base de parámetros de entrada como fuerzade corte, par de torsión, emisión acústica y aceleración del husillo. Aunquetodavía es fruto de controversias, la opinión de muchos es que la inteligenciaartificial real va a evolucionar sólo a través de progresos en las redes neuronales.

16.13.5. Lógica difusa

Un elemento de la inteligencia artificial que tiene aplicaciones importantesen los sistemas de control y de reconocimiento de pautas es la lógica difusa(modelos difusos). Ésta se introdujo en 1965, y se basa en la observación deque las personas pueden tomar buenas decisiones basándose en informaciónimprecisa: de ahí el término «difuso».

Estos modelos poseen la capacidad de reconocer, representar, manipular,interpretar y utilizar datos e información que son vagos o que carecen de preci-sión. Estos métodos se ocupan del razonamiento y la toma de decisiones a unnivel más alto que el de las redes neuronales.

Las tecnologías y dispositivos difusos han sido desarrollados (y aplicados conéxito) en áreas como la robótica y el control del movimiento, el procesamientode imágenes y la visión de máquina, el aprendizaje de máquina y el diseño de


sistemas inteligentes.

16.14. La fábrica del futuro

Con base en los progresos en todos los aspectos de la tecnología de ma-nufactura y de la integración mediante computadoras, podemos imaginar quela fábrica del futuro será una instalación totalmente automatizada, en la quelos seres humanos no intervendrán en forma directa con la producción en eltaller (de ahí el nombre de fábricas no atendidas). Toda la manufactura, ma-nejo de materiales, ensamblaje e inspección se harán con maquinaria y equiposcontrolados por computadora.

Algunos negocios de la industria alimentaria, del petróleo y la química fun-cionan ya en forma automática con poca intervención humana. Esas industriasposeen procesos continuos que son más fáciles de automatizar en forma directaen comparación con la manufactura de piezas y partes.

Tema 17

Aspectos competitivos de

los sistemas de fabricación

17.1. Selección de materiales

Para seleccionar los materiales de un producto, debemos tener una ideaclara de los requerimientos funcionales de cada uno de sus componentes.

17.1.1. Propiedades mecánicas, físicas y químicas

Entre las propiedades mecánicas están la resistencia, tenacidad, ductilidad,rigidez, dureza y resistencia a la fatiga, a la fluencia y al impacto. Las propieda-des físicas incluyen densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad yeléctrica, expansión térmica y eléctrica, expansión térmica y propiedades mag-néticas. Las propiedades químicas de primera importancia en la manufacturason la susceptibilidad a la oxidación y a la corrosión.

Hoy es más fácil y rápida la selección de materiales, por la disponibilidad deextensas bases de datos computerizadas que permiten mayor accesibilidad. Sinembargo, para facilitar la selección de materiales y otros parámetros que se des-cribirán con posterioridad, se han desarrollado programas de sistemas expertos(bases de datos inteligentes). Con datos adecuados de diseño del producto y re-querimientos funcionales, esos sistemas son capaces de identificar los materialesapropiados, de igual manera como lo haría un experto o un grupo de expertos.

17.1.2. Formas de materiales disponibles en el mercado

Una consideración importante es la compra de materiales en sus formasque requieran un mínimo de procesamiento adicional. Sin embargo, también sedeben tener en cuenta características como la calidad superficial, toleranciasdimensionales y rectitud de esas materias primas.

308 17.2. Diseño del producto y cantidad de materiales

17.1.3. Propiedades de manufactura

La propiedades de manufactura de los materiales abarcan, en forma carac-terística, la facilidad para fundir el metal, el trabajo mecánico, para conformar,soldar y endurecer por tratamiento térmico. Como las materias primas se debenmoldear, formar, maquinar, rectificar, fabricar o tratar térmicamente para for-mar componentes individuales que tengan formas y dimensiones específicas, esaspropiedades son fundamentales para hacer una buena selección de los materiales.

17.1.4. Costo de los materiales y del procesamiento

A causa de su historia de procesamiento, el costo unitario de una materiaprima no sólo depende del material mismo, sino de su forma, tamaño y condición.Por ejemplo, como se necesitan más operaciones para producir alambre delgadoque barra redonda, el costo unitario del alambre es mayor.

De la misma manera, los polvos metálicos son más costosos que los metalessólidos. Además, en general el costo de los materiales disminuye a medida queaumenta el volumen de compra.

El costo de determinado material está sujeto a fluctuaciones causadas porfactores tan simples como la oferta y la demanda, o tan complejos como la geo-política. Si ya un producto no compite en costo, se pueden seleccionar materialesalternativos y menos costosos. Por ejemplo, la escasez de cobre en la década de1940 forzó al gobierno estadounidense a acuñar monedas de acero galvanizado.De manera parecida, cuando aumentó bastante el precio del cobre durante ladécada de 1960, el cableado eléctrico que se instalaba en los hogares fue, durantealgún tiempo, de aluminio.

Cuando se produce chatarra o desperdicio durante la manufactura (comoen la fabricación de metal laminado, en el forjado y en el maquinado), el valorde la chatarra se resta del costo del material para obtener el costo neto delmaterial. Como es de esperar, el valor de la chatarra depende del tipo de metaly de su demanda; habitualmente oscila entre el diez y el cuarenta por cientodel costo original. Nótese que en el maquinado, el desperdicio puede ser muyalto, mientras que en el laminado, laminado de anillo y metalurgia de polvos—todos ellos son procesos de forma neta o casi neta— se produce un mínimode chatarra.

17.2. Diseño del producto y cantidad de materia-les

Aunque el costo de los materiales no puede ser reducido por debajo del valorque se encuentra en el mercado, se pueden obtener reducciones en la cantidad dematerial empleado para aquellos componentes que se van a producir en masa.Como la forma general de la pieza se suele optimizar durante las etapas del

17. Aspectos competitivos de los sistemas de fabricación 309

diseño y del prototipo, las reducciones posteriores en la cantidad de materialempleado sólo se pueden lograr reduciendo el espesor del componente.

En este método se requiere seleccionar materiales con grandes relaciones deresistencia a peso o de rigidez a peso. También pueden obtenerse relaciones másaltas mejorando el diseño del producto, y seleccionando mejores secciones trans-versales, como por ejemplo los que tengan un momento de inercia alto (vigas enI), o usando componentes tubulares o huecos, en lugar de sólidos. Las técnicascomo análisis de elementos finitos, diseño con peso mínimo, optimización dediseño, el uso de materiales y la optimización son de uso común.

Sin embargo, la implementación de cambios de diseño y minimización dela cantidad de materiales utilizados pueden causar apreciables problemas en lamanufactura, como los que se describen en los siguientes ejemplos:

– Para forjar partes delgadas se requieren grandes fuerzas, debidas a causascomo fricción y endurecimiento de las secciones delgadas.

– El soldar láminas o estructuras delgadas puede causar distorsiones debidasa gradientes térmicos.

– La fundición de secciones delgadas puede causar dificultades en el llenadode cavidades de molde (por la solidificación) y en el mantenimiento de laprecisión dimensional y el buen acabado superficial.

– La facilidad de formado de lámina se puede reducir al disminuir el espesorde ésta y esa reducción puede causar pandeo (durante el moldeado) debidoa esfuerzos de compresión en el plano de la lámina.

17.3. Sustitución de materiales

En la actualidad, casi no hay producto en el mercado para el que la sus-titución de materiales no haya desempeñado un papel principal para que lasempresas puedan mantener sus posiciones competitivas.

Existen varias razones para sustituir los materiales en los productos actua-les:

– Reducir los costos de materiales y de procesamiento.

– Mejorar la manufactura y el ensamblaje, la instalación y la conversión aensamblaje automatizado.

– Mejorar el desempeño de los productos, por ejemplo reduciendo el peso ymejorando su resistencia al desgaste, la fatiga y la corrosión.

– Aumentar las relaciones de rigidez a peso y resistencia a peso.

– Reducir la necesidad de mantenimiento y reparaciones.

310 17.4. Selección de los procesos de manufactura

– Reducir la vulnerabilidad por poca fiabilidad del abastecimiento de mate-riales, tanto locales como de importación.

– Mejorar el cumplimiento de la legislación y los reglamentos que prohíbanel uso de ciertos materiales por razones ambientales.

– Reducir las variaciones de eficiencia o la sensibilidad ambiental en el pro-ducto, i.e., mejorar su robustez.

Sustitución de materiales en la industria automotriz El automóvil es un buenejemplo de la eficaz sustitución de materiales con objeto de alcanzar uno o másde los objetivos mencionados arriba. Algunos ejemplos son los siguientes:

– Ciertas piezas de la carrocería metálica se han sustituido por otras deplástico o plástico reforzado.

– Las defensas, engranajes, bombas, tanques de combustible, cajas, cubier-tas, broches y diversos componentes metálicos se han reemplazado porsustitutos de plástico.

– Se han cambiado componentes del motor por otros de cerámica y plásticoreforzado.

– Los ejes de tracción, completamente metálicos, se han reemplazado porotros de materiales compuestos.

– Los «monoblocks» de vehículos, fabricados con fundición gris, se han susti-tuido por otros de fundición de aluminio; los cigüeñales forjados por otrosfundidos, y las bielas forjadas por bielas fundidas, o de pulvimetalurgia, ode materiales compuestos.

Como la industria automotriz es uno de los principales consumidores demateriales metálicos y no metálicos, hay una competencia constante entre losproveedores, en especial entre las industrias del acero, aluminio y plástico.

17.4. Selección de los procesos de manufactura

La elección de un proceso de manufactura queda determinada por diver-sas consideraciones. Algunas de éstas son: las características y propiedades delmaterial de la pieza; la forma, tamaño y espesor de la parte; los requerimien-tos en la tolerancia dimensional y el acabado superficial; los requerimientos defuncionamiento de la pieza; el volumen (cantidad) de producción; el nivel de au-tomatización requerido para cumplir con el volumen y la rapidez de producción;los costos en los que se incurre en los aspectos individuales y combinados delproceso de manufactura.


17.5. Posibilidades del proceso

Cada proceso de manufactura posee ventajas y limitaciones. Por ejemplo,la fundición y el moldeo por inyección pueden producir, en general, formas máscomplejas que el forjado y la metalurgia de polvos, porque el metal o el plásticofundidos pueden llenar cavidades complicadas de matrices o moldes. Por otrolado, las piezas forjadas se pueden fabricar con formas complejas, en general conoperaciones posteriores de maquinado y acabado, y tienen una tenacidad quesuele ser mejor que las de las piezas fundidas o de pulvimetalurgia.

Recuérdese que la forma de un producto puede ser tal que lo mejor seafabricarlo a partir de varias piezas, uniéndolas con sujetadores o con técnicascomo latonado, soldado y pegado. Lo inverso puede ser lo válido para otros pro-ductos: fabricarlo de una pieza puede ser más económico, por los grandes costosde armado que habría. Otros factores que se deben considerar en la seleccióndel proceso son el tamaño y dimensiones mínimos de sección que se puedenproducir en forma satisfactoria. Por ejemplo, con laminado en frío se puedenproducir secciones muy delgadas, pero con los procesos como la fundición enarena o forjado no se pueden obtener secciones delgadas.

Tolerancia dimensional y acabado superficial Cuanto más cerrada sea la to-lerancia dimensional requerida, el costo de la manufactura será mayor; además,mientras más fino sea el acabado superficial requerido, el tiempo de manufacturaserá mayor, y también lo será el costo del producto. Por ejemplo, para maquinarmiembros estructurales de aleaciones de titanio para aviones, se gasta hasta elsesenta por ciento del costo de maquinado de la pieza en la pasada final paramantener las tolerancias dimensionales y el acabado superficial correctos.

A menos que se requiera específicamente de otra forma por medio de unajustificación técnica y económica adecuada, las piezas deben hacerse con unacabado superficial áspero y en una tolerancia amplia que resulte funcional yestéticamente aceptable.

Volumen de producción La cantidad de producción desempeña un papel im-portante en la selección del proceso y del equipo. De hecho, se dedica todo uncampo de la manufactura a determinar en forma matemática la cantidad óptimade producción: se trata de la cantidad económica de pedido.

Tasa de producción Un factor importante para seleccionar el proceso de ma-nufactura es la tasa de producción; ésta se define como la cantidad de piezasque se deben producir por unidad de tiempo. Los procesos como la metalur-gia de polvos, fundición en dados, embutido profundo, estirado y laminado sonoperaciones de gran tasa de producción. Por el contrario, la fundición en are-na, el maquinado convencional y electroquímico, el rechazado, el conformadosuperplástico y el pegado adhesivo y por difusión, así como el procesamiento deplásticos reforzados, son operaciones relativamente lentas.

312 17.6. Costos de manufactura

Tiempo de inicio La selección de un proceso de manufactura está muy influidapor el tiempo necesario para iniciar la producción, que se denomina tiempo deinicio. Procesos como la forja, fundición, laminado y moldeo de lámina suelenrequerir muchos y costosos dados y herramientas.

Por el contrario, los procesos de maquinado y rectificado tienen, en general,una mayor flexibilidad incorporada y usan herramientas que se pueden adaptara la mayor parte de los requerimientos en un tiempo relativamente corto.

17.6. Costos de manufactura

Existen varios métodos de contabilidad de costos que se emplean hoy enlas organizaciones manufactureras. Las metodologías de varios procedimientoscontables pueden ser muy complicadas —y objeto de controversias— y su selec-ción depende de la empresa en particular y de su tipo de operaciones. Además,por los factores técnicos y operativos que intervienen, el cálculo de los factoresindividuales de costo es difícil, lento y no siempre exacto ni viable.

Las tendencias recientes en los sistemas de costeo (justificación de costo)incluyen las siguientes consideraciones: beneficios intangibles de mejora de cali-dad y reducción de inventarios, costos de ciclo de vida, uso de máquinas, costode compra en comparación con el de alquiler de la maquinaria, los riesgos finan-cieros de implementar la automatización y las nuevas tecnologías disponibles.Se debe tener en cuenta todo lo anterior y mucho más.

Los costos que son directamente atribuibles a la responsabilidad por el pro-ducto y a la defensa contra demandas han sido temas de gran preocupación ydiscusión entre las partes involucradas.

Además de los costes de materiales y los costes de herramientas, se cuentan:los costos fijos y los costos de capital. Los costos fijos incluyen los de la energíaeléctrica, combustibles, impuestos sobre la propiedad, rentas, seguros y capital(incluyendo depreciación e interés). La empresa debe solventar todos esos cos-tos, independientemente de si hace determinado producto o no. Los costos decapital, por su parte, representan la inversión en edificios, terrenos, maquina-ria, herramientas y equipos; son los principales gastos en la mayor parte de lasinstalaciones manufactureras.

Se pueden lograr menores costos unitarios con producción continua, todo eldía, pero sólo mientras la demanda lo garantice. Es esencial el mantenimientoadecuado del equipo para asegurar una alta productividad. Todo desperfecto enla maquinaria que cause tiempo muerto puede ser muy costoso, entre cientos ymiles de dólares por hora.

Los costos de mano de obra se dividen en general en mano de obra directae indirecta. El costo de mano de obra directa es para el personal que intervieneen forma directa en la manufactura de la parte (mano de obra productiva). Eneste costo se incluye toda la mano de obra desde que se manejan por primera


vez las materias primas hasta cuando se termina el producto. A este período sele suele llamar tiempo de piso a piso.

Los costos de mano de obra indirecta son los que se generan para dar servi-cio a la operación total de manufactura. El total está formado por actividadescomo supervisión, reparación, mantenimiento, control de calidad, ingeniería, in-vestigación y ventas; también incluye el costo del personal de oficina. Como nocontribuyen en forma directa a la producción de piezas, o sus gastos no se pue-den cargar a un producto específico, a estos costos se les llama generales y secargan en forma proporcional a todos los productos. El personal que intervieneen estas actividades se considera como mano de obra no productiva.

17.7. Costos de manufactura y volumen de pro-ducción

Uno de los factores más importantes de los costos de manufactura es elvolumen de producción. Un gran volumen de producción requiere grandes tasasde producción. A su vez, las grandes tasas de producción requieren el empleo detécnicas de producción en masa, que implican maquinaria especial (maquinariadedicada) y emplean una menor proporción de mano de obra directa, así comoplantas que trabajan a dos o tres turnos.

La producción en lotes pequeños se efectúa normalmente en máquinas depropósito general tales como tornos, fresadoras y prensas hidráulicas. Para ma-yores cantidades (producción en lotes medianos) se pueden equipar las mismasmáquinas de propósito general con diversos soportes y sujetadores, o tener con-trol computerizado.

La reducción de costes se plantea en la forma de cómo se relacionan loscostos que se describieron más arriba, y los costos relativos dependen de muchosfactores. En consecuencia, el costo unitario del producto puede variar mucho.Por ejemplo, algunas partes se pueden hacer con materiales costosos, pero querequieran muy poco procesamiento (como las monedas de oro acuñadas). Eneste caso, el costo de materiales en relación con la mano de obra directa es alto.

Una clasificación aproximada (pero característica) de costos de manufacturaen la actualidad es la siguiente: 5 por ciento de diseño, 50 por ciento de materia-les, 15 por ciento de mano de obra directa y 30 por ciento de costos indirectos.Es interesante notar la pequeña contribución de la fase de diseño; no obstante,en el sentido detallado de diseño para manufactura y ensamble, incluyendo laingeniería concurrente, la fase de diseño posee, en general, la máxima influenciasobre la calidad y el éxito de un producto en el mercado.

Algunas oportunidades para reducir costos son las siguientes: simplificar eldiseño de piezas y la cantidad de subensambles necesarios; especificar mayorestolerancias dimensionales y permitir un acabado superficial más burdo; usarmateriales menos costosos; investigar métodos alternativos de manufactura, yusar máquinas y equipo más eficientes.

314 17.8. Ingeniería de valores o del valor intrínseco

17.8. Ingeniería de valores o del valor intrínseco

La ingeniería de valores es un sistema que evalúa cada paso en el diseño,materiales, procesos y operaciones en la manufactura de un producto que cum-ple todas las funciones que se pretenden, y lo hace al mínimo coste posible. Seestablece un valor monetario para cada uno de lo siguientes atributos del pro-ducto: valor de uso, que refleja las funciones del producto, y valor de estima ode prestigio, que refleja lo atractivo del producto que hace deseable el poseerlo.

En general, el análisis de valores consiste en las tres fases siguientes:

– La fase de información, para reunir datos y determinar costos.

– La fase de análisis, para definir las funciones e identificar las áreas proble-máticas y las oportunidades.

– La fase de creatividad, para buscar ideas que respondan a los problemas ylas oportunidades, sin juzgar el valor de cada idea.

– La fase de evaluación, para seleccionar las ideas a desarrollar, y para iden-tificar los costos en los que se incurre.

– La fase de implementación, para presentar hechos, costos y valores a laadministración de la empresa; para desarrollar un plan y para motivaruna acción positiva, todo ello para obtener un compromiso de los recursosnecesarios para lograr la tarea.

– La revisión de todo el proceso de análisis de valores y de los ajustes quese puedan necesitar.

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