MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN

Vol.

Segunda edición

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MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN

Vol.

Segunda edición

E. P. DeGarmo / J. T. Black / R. A. Kohser

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · México

2

Título de la obra original:

Material and Processes in Manufacturing, Sixth Edition

Edición original en lengua inglesa publicada por

Macmillan Publishing Co., New York, U.S.A.

Copyright © Macmillan Publishing Company, a Division of

Macmillan, INC.

Edición en español:

© Editorial Reverté, S. A., 1994

Versión española coordinada y traducida por:

Dr. J. Vilardell

Profesor de la Universidad Politécnica de Barcelona

Propiedad de:

EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B

Tel: (34) 93 419 33 36 08029 Barcelona. España

reverte@reverte.com

www.reverte.com

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miento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, queda rigurosamente prohibida sin la autorización escrita de los titula-

res del copyright, bajo las sanciones establecidas por las leyes.

# 1064

Edición en papel: ISBN 978-84-291-4824-4 Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9096-0

Prefacio

Esta sexta edición de Materiales y Procesos de Fabricación es la más reciente revisión del texto, que tan buena acogida recibió, introducido por E. Paul DeGarmo en 1957 y sucesivamente revisado en 1962, 1969, 1974 y 1979. En este caso, el Profesor De­Garmo sigue manteniendo la dirección del conjunto de la obra, si bien ha delegado gran parte de la redacción a dos nuevos coautores: el Dr. Ronald A. Kohser y el Dr. J.T. Black. El Dr. Kohser se responsabiliza de las secciones de materiales y de proce­sos de moldeo, conformación y unión. El Dr. Black preparó la secciones relativas a las operaciones de mecanizado y a las de procesos y técnicas relacionadas con la fa­bricación.

Mirando atrás, nos encontramos con que las tendencias que se sei'íalaban en la quinta edición, es decir, más automatización y más mandos por ordenador, además de mayor acentuamiento en la productividad con calidad, se han manifestado hasta un punto tal que, actualmente, Estados Unidos se halla trabada en una batalla de productividad de dimensiones mundiales, sin parangones desde la 11 Guerra Mun­dial. En concreto, países como el Japón han efectuado incursiones importantes en zonas comerciales e industriales en tiempos consideradas dominio exclusivo de Esta­dos Unidos. Los japoneses lo han conseguido desarrollando sistemas de fabricación significativamente distintos en filosofía, metodología y complejidad. Estrategias ta­les como la producción «en el momento preciso» y «el control de calidad total» han revolucionado este terreno. Los tiempos de preparación de máquina se reducen hasta el punto en que se hace económico producir en pequei'ías cantidades. Mejoran y aumen­tan el interés del operario y todo el personal de la compai'íía asume su responsabili­dad ante el perfeccionamiento de la calidad. El comprobado éxito de tales métodos y filosofías obligan a implantarlos en todo el mundo.

La actividad fabril se está viendo literalmente invadida por los ordenadores y microprocesadores y es esperable que con ello evolucione y se desarrollen nuevas apli­caciones. Los sistemas de control lógicos manejarán todo género de máquinas. El di­sei'ío y la fabricación ayudados por ordenador se emparejarán estrechamente con los ensayos y la verificación ayudados por ordenador, de tal modo que todo el siste-

V

VI Prefacio

ma de producción caerá bajo el control de los ordenadores. Los robots industriales ejecutarán las operaciones con precisión y fiabilidad extremas.

En la presente edición se reflejan todos esos cambios con la esperanza de que, a la vez que sirva de texto en las escuelas de ingeniería y en la industria de Estados Unidos y muchos otros países, contribuya al progreso significativamente. Se han de­dicado espacios considerables a la robótica, a la fabricación asistida por ordenador y a las nuevas teorías sobre gestión de fabricación (tales como tecnología en grupo, fabricación en el momento preciso y control de calidad integrado), ya que los autores reconocen en ellos a los elementos teóricos y materiales de las plantas fabriles del futuro.

Un ingeniero puede intervenir en un proceso de fabricación de una diversidad de formas: en la investigación de materiales, en el estudio y proyecto de maquinaria e instalaciones y en las técnicas de transformación de materiales. Sin embargo, la in­mensa mayoría se ocupa de materiales y técnicas en cuanto a procedimientos para hacer realidad los proyectos. En la etapa de proyecto se toman un buen número de decisiones en torno a los materiales a utilizar y a los procesos a seguir para transfor­mar o elaborar los primeros. En alguna fase de la secuencia de proyecto, selección de materiales y elaboración alguien debe decidir respecto a los materiales a utilizar y a los procesos de transformación o elaboración a aplicar. Dado que dichas decisio­nes afectan siempre al coste del producto, y que las mismas pueden afectar crítica­mente a su funcionalidad, es en sumo grado conveniente que sea el proyectista quien las tome o, al menos, que participe en ellas; de lo contrario, quizá resulten afectados los costes o la funcionalidad, o ambos a la vez. El proyecto, los materiales y el proce­so deben considerarse componentes de una entidad única.

Si bien continúan apareciendo materiales nuevos, y habitualmente más específi­cos, el hecho de que las reservas de materias primas de nuestro planeta son limitadas es algo que hoy día nadie discute. En los años más recientes se han creado materiales nuevos para hacer frente a demandas especiales, a medida que éstas surgen, los cua­les suelen requerir unas técnicas de fabricación particulares y más precisas con el fin de aprovechar eficazmente las propiedades de tales materiales. Actualmente, y en el futuro, la economía de escasez y la necesidad de reciclar harán necesario emplear con el mejor rendimiento los materiales disponibles, y estos factores jugarán un papel ca­da vez más importante en la selección de los mismos. Del mismo modo, se han ido haciendo cada vez más comunes máquinas más perfeccionadas y versátiles, pero és­tas, en su mayoría, sólo pueden aprovecharse al máximo, o por lo menos con el me­jor rendimiento, si el proyectista conoce bien sus posibilidades y limitaciones. Por ello, aunque el propósito fundamental de esta edición siga siendo el mismo que en el de las anteriores, se ha acentuado la atención a la interrelación entre proyecto, se­lección de materiales y técnicas de fabricación, acento que se realza especialmente en el capítulo 10 titulado «Selección de materiales». Se prosigue haciendo hincapié en los procesos básicos, pero recalcando más la manera en que los mismos se llevan a cabo con las modernas máquinas herramienta polivalentes. También se resalta la uti-

Prefacio VII

lización de los mandos de lectura digital y de los sistemas de mando numérico, por cinta y por ordenador. Se dedica atención particular a los procesos y técnicas de fa­bricación que posibilitan producir directamente piezas en su forma final, o casi final, con poco o ningún desperdicio de materiales.

Aunque se haya realizado un esfuerzo considerable para incluir todos los progre­sos más recientes, importantes y prometedores, tanto en materiales como en proce­sos, el acento se sigue cargando esencialmente en los conceptos fundamentales, para ofrecer con ello una base consistente desde la que conocer los fenómenos ya estudia­dos y también los que aún no se utilizan. Así pues, los capítulos sobre materiales están destinados a realzar por qué unos materiales u otros son adecuados para ciertas aplicaciones, por qué reaccionan como lo hacen al sufrir determinados procesos y por qué deben tratarse de un modo específico para obtener los resultados deseados. Cómo se elabora un cierto material es también un objetivo importante, pero secun­dario. Análogamente, respecto a las máquinas herramienta, se insiste primordialmente en lo que son capaces de hacer, en cómo lo hacen, en su precisión y en sus ventajas y limitaciones relativas, especialmente las económicas. Aunque debe prestarse alguna atención a su constitución y funcionamiento, ello es exclusivamente al objeto de que se conozca mejor la relación entre las herramientas y los objetivos precedentes.

En la quinta edición se presentaban casos prácticos al final de diversos capítu­los. Esta edición contiene treinta y nueve de ellos, en su mayor parte fruto de la expe­riencia profesional de uno de los autores. Se señ.ala aquí que no siempre guardan relación únicamente con el tema tratado en el capítulo que cierran, sino que su solu­ción se basa en el contenido de todo lo tratado hasta ese punto del texto. (A veces, el lector deberá consultar las fuentes de información convenientes para hacerse con los datos que necesite, tal como le ocurriría en la realidad.) Estos casos prácticos son extremadamente útiles para despertar la conciencia del estudiante acerca de la gran importancia que tiene coordinar correctamente un proyecto con la selección de mate­riales y el proceso de manufactura, con el fin de lograr un producto satisfactorio y exento de fallos.

Al igual que en ediciones anteriores, se han cuidado mucho las ilustraciones. Las fotografías se han elegido con el criterio de que instruyan y no de que hagan publici­dad de un producto determinado. Un buen número de ellas se han realizado especial­mente para este texto y en ello numerosas empresas han cooperado de muy buen grado. Ahora bien, debe tenerse presente que en muchos casos se han retirado guardas de protección de las máquinas para dejar al descubierto detalles importantes y que el personal que aparece no está provisto de los indumentos de protección que llevaría en caso de trabajo normal.

El libro sigue estando ordenado de modo que pueda emplearse en cursos que traten de materiales y procesos a la vez, o bien en cursos que traten sólo de procesos de fabricación. En el primer caso, a lo largo de todos los capítulos se encontrará un tratado completo tanto de materiales como de procesos y técnicas. En el segundo ca­so, pueden omitirse los capítulos 2 a 10; aunque éstos puedan aprovecharse como

VIII Prefacio

texto de consulta rápida donde se explica por qué los materiales se comportan como lo hacen.

Los autores desean reconocer la ayuda y cooperación de sus esposas y familias du­rante la preparación de esta sexta edición. Sus discusiones con estudiantes y colegas les fueron de muchísima utilidad e influyeron en la revisión de algunos capítulos cla­ve. Agradecen, además, sinceramente los ánimos y críticas constructivas recibidos de tantas personas.

E. Paul DeGarmo J Temple Black Ronald A. Kohser

Índice analítico

Prefacio V

MATERIALES

1 Introducción 3 2 Propiedades de los materiales 37 3 Naturaleza de los metales y aleaciones 75 4 Obtención y propiedades de los metales

industriales ordinarios 103 5 Diagramas de equilibrio 133 6 Tratamientos térmicos 159 7 Productos siderúrgicos (aceros y ferroaleaciones) 195 8 Aleaciones no férreas 217 9 Materiales no metálicos: plásticos, elastómeros,

cerámicas y materiales compuestos 241 lO Selección de materiales 281

11 TÉCNICAS DE FUNDICIÓN Y MOLDEO

11 Técnicas de moldeo 299 12 Pulvimetalurgia 371 13 Fundamentos de la conformación de los metales 389 14 Operaciones de trabajo en caliente 409 15 Operaciones de trabajo en frío 447

IX

X

111 PROCESOS DE MECANIZACIÓN

16 Metodología y verificación 17 Aptitud de un proceso y control de calidad 18 Arranque de viruta 19 Limado y cepillado 20 Torneado y mandrinado 21 Taladrado y escariado 22 Fresado 23 Mecanizado abrasivo 24 Brochado 25 Aserrado y trabajos de lima 26 Operaciones de mecanizado no tradicionales 27 Tallado y conformación de roscas 28 Fabricación de engranajes

IV PROCESOS DE UNIÓN

29 Soldadura por forja, oxigás y eléctrica por arco 30 Soldadura por resistencia 31 Otros procedimientos de soldadura

y operaciones afines 32 Corte con soplete y por arco eléctrico 33 Soldadura fuerte, soldadura blanda,

unión con adhesivos y fijación mecánica 34 Problemas potenciales de la soldadura

y el corte térmico

fndice analítico

521 575 595 647 661 713 743 767 813 827 845 877 903

941 975

991 1013

1027

1051

V PROCESOS Y TÉCNICAS RELATIVAS A LA FABRICACIÓN

35 Trazado 36 Posicionadores y montajes 37 Tratamientos superficiales decorativos

y protectores 38 Sistemas de fabricación y automatización 39 Sistemas de producción

1065 1077

1097 1127 1201

Índice analítico XI

CASOS PRÁCTICOS

1 Economía de la producción en masa 35 2 El caso del acero resuelto 73 3 Unos datos mal empleados 101 4 El cable roto 130 5 Cómo utilizar incorrectamente un diagrama de fases 157 6 El martillo de fragua astillado 194 7 Los puentes diferenciales termotratados 216 8 Las bielas de aluminio que sustituyeron

a otras de acero 240 9 La bicicleta reparada 280

10 La tubería de vapor subterránea 295 11 Las hélices defectuosas 369 12 Un engranaje que dura poco 387 13 Los cojinetes rotos 408 14 Material para un recipiente industrial

resistente a la corrosión 444 15 La hélice rota 518 16 Un palier controvertido 573 17 Unos espárragos roscados de cabeza esférica 593 18 El implante quirúrgico roto 646 19 Los anillos de retención de aluminio 659 20 Aspectos económicos del mecanizado de

un árbol de acero 8620 laminado en caliente 711 21 Estudio del punto muerto de

una pieza de torno 739 22 El caso del acero rápido contra el metal duro 765 23 Un pie de fundición 811 24 El palier deslizante 826 25 Los collarines de la compafiía Yo-Ko 843 26 Los torpillos atmosféricos 875 27 El misterio del perno de bronce 902 28 ¿Cómo se abocinó el tubo? 937 29 Los caballetes del contenedor 973 30 El enganche de remolque roto 989 31 Un árbol con leva circular 1012 32 El palier roto 1024 33 El rotor de una trituradora

de basuras industrial 1048 34 La hélice agrietada 1061

XII

35 El caso del acoplamiento del volante de dirección

36 La instalación de un puente guía 37 La rotura de una rueda de aluminio 38 La pieza con el agujero triangular 39 El accidente del trineo motorizado

Apéndice Índice alfabético

Índice analítico

1075 1095 1124 1198 1229 1231 1241

PARTE 111

PROCESOS DE MECANIZADO

519

Capítulo 16

Metrología y verificación

En los procesos de fabricación se crean formas de unas medidas concretas. A efectos de intercambiabilidad, esas medidas estan muchas veces normalizadas, o tipificadas. Así, las bombillas de 60 watt se hacen con los casquillos de la misma medida norma­lizada y, por su parte, los fabricantes de portalámparas hacen los enchufes de modo que admitan tales bombillas. Asimismo, es imposible comprar una bombilla de 67 watt, pues ésta no es una potencia normalizada. Al objeto de fabricar económica­mente productos intercambiables con unos niveles determinados de calidad y fiabili­dad, en el proyecto se definen unas especificaciones exactas, durante o después de la fabricación se llevan a cabo medidas a precisión de formas y dimensiones y, con el fin de controlar la calidad, se proveen medios para retornar al proceso aquella in­formación metrológica. En términos generales, la dificultad y el costo de la fabrica­ción de un producto crecen ambos conforme se trata de incorporar mayores precisión y exactitud a dicha fabricación.

La fabricación en gran escala basada en la normalización e intercambiabilidad se generalizó a comienzos del decenio de 1900. El control dimensional hay que inte­grarlo en las máquinas herramienta y en los dispositivos de fijación de las piezas merced a una manufactura de precisión de tales máquinas y útiles. Seguidamente debe com­probarse cuidadosamente la producción de las máquinas (1) para establecer las posi­bilidades de cada máquina concreta y (2) para controlar y mantener la calidad del producto. Cuando un proyectista especifica las dimensiones y tolerancias de una pie­za, muy a menudo lo hace para mejorar la actuación del producto pero, con ello, determina también las máquinas y operaciones necesarias para fabricarlo. Con mu­cha frecuencia al ingeniero de proyectos le será necesario alterar un diseño para me­jorar la facilidad o los costos de fabricación (producibilidad), o bien del conjunto

521

522 Metrología y verificación

del producto, y para ello deberá estar siempre preparado con tal que no se sacrifiquen la funcionalidad, la fiabilidad ni las características operativas.

Atributos y variables. La inspección del producto, sea durante la fabricación o des­pués de ésta, por medios manuales o automáticos, es responsabilidad de la verifica­ción. La inspección de artículos o productos puede hacerse básicamente por dos pro­cedimientos:

l. Por atributos; aquí se emplean calibres para determinar si el producto es aceptable o no, tomándose una decisión de tipo si-o-no ó pasa-no-pasa.

2. Por variables; en este caso se emplean instrumentos tarados para determinar en qué cuantía es bueno o malo el producto comparado con las medidas buscadas.

En un automóvil son ejemplos de instrumentos de medir por variables el velocímetro y el manómetro del aceite, mientras que una luz testigo del aceite lo sería de calibre de atributos. En este segundo caso, y como característica de los calibres de atributos, cuando se enciende la luz no se sabe cuánto vale realmente la presión, sino simple­mente que su valor es incorrecto.

En la industria, el término medida, o medición, se acepta generalmente para de­signar el acto de inspeccionar por variables, mientras que calibrado se reserva para el de determinar si una medida o característica es mayor o menor que la establecida, o bien cae dentro de unos márgenes de aceptabilidad. La inspección por variables es, en general, más larga y costosa que la inspección por atributos, pero facilita más información ya que permite conocer el valor de una característica en un sistema de unidades universalmente aceptado.

UNIDADES DE MEDIDA

Las cuatro magnitudes principales de las que dependen todas las demás son la longi­tud, el tiempo, la masa y la temperatura. Estas cuatro, en unión del ampere y la can­dela, proporcionan, tal como se muestra en la figura 16-1, la base de todas las demás unidades de medida. En la mayoría de las mediciones mecánicas intervienep combi­naciones de· masa, longitud y tiempo; así, el newton, que es la unidad de fuerza, se deduce de la segunda ley del movimiento de Newton (F == ma) y se define como la fuerza capaz de comunicar una aceleración de un metro por segundo cada segundo a una masa de un kilogramo. La figura 16-1 está en unidades SI.

Mediciones lineales. Cuando el hombre buscó por primera vez una unidad de lon­gitud, se fijó en partes de su cuerpo, principalmente manos, brazos o pies. Pero éstas no resultaban muy satisfactorias, pues su tamaño no era desde luego universalmente uniforme. Una medición y una calibración satisfactorias deben basarse en un patrón,

Unidades fundamentales

Longitud

Masa

Tiempo

Corriente eléctrica

Temperatura termodinámica

!Intensidad luminosa

Ángulo plano

Ángulo sólido

Metro

Unidades SI

Unidades derivadas

Siemens0( 1/U)

Conductancia eléctrica

i'otencial eléctrico 1

Las lineas continuas indican multiplicación Las lineas discontinuas indican división

1 1 1 1 1 1 1 1 1

(lm/m2 ) 2 1 ----~J

FIGURA 16-1 Relaciones entre magnitudes fundamentales y derivadas en el sistema SI. (De NBS Technical Note 938, National Bureau of Standards, Washington, D.C.)

523

524 Metrología y verificación

o patrones, fiables y preferiblemente universales. Esto no fue siempre así. Por ejem­plo, aunque las piezas de mosquete que construyera Eli Whitney en su taller fueran intercambiables entre ellas, no lo eran con las construidas por otro fabricante de ar­mas de la misma época a partir de los mismos planos, porque los dos armeros traba­jaban con reglas diferentes. Actualmente, todo el mundo industrializado ha adopta­do el metro internacional como patrón para medir longitudes. En 1960 se redefinió ofiCialmente como 1650763,73 veces la longitud de onda de la radiación rojo-naranja emitida por el criptón 86 excitado eléctricamente. (El criptón es un gas raro en la at­mósfera terrestre.)

Oficialmente, los países de habla inglesa se han comprometido a adoptar el sis­tema internacional de unidades (SI), en el que se expresan prácticamente todas las cotas de fabricación en milímetros. En tales países continúa prácticamente vigente su tradicional sistema de unidades de longitud basado en la yarda y posiblemente tal situación persista durante algún tiempo. Recordemos por ello que una yarda equi­vale a 0,9144 metros1, conteniendo tres pies (0,3048 m) cada una, y cada pie, doce pulgadas (25,4 mm); de tal modo que una yarda contiene 36 pulgadas.

Bloques de calibrado. Los bloques de calibrado proporcionan a la industria los pa­trones de longitud de alta precisión de uso cotidiano en todos los establecimientos fabriles. Son pequeños bloques de acero, normalmente de sección rectangular, con dos superficies muy planas y paralelas separadas unas distancias especificadas con gran certeza. Se deben al sueco Carl E. Johansson, quien los concibió poco antes de 1900, razón por la cual suelen conocerse como calas Johansson. También se cono­cen frecuentemente, aludiendo a su forma, con el nombre de calibres prismáticos. Hacia 1911, consiguió producir juegos de ellas a escala muy limitada, y entraron en uso restringido, aunque importante, durante la 1 Guerra Mundial. Poco después de ésta, Henry Ford se dió cuenta de la importancia que revestiría el hecho de disponer de calas Johansson de manera generalizada, por lo cual dispuso lo necesario para que Johansson se trasladara a los Estados Unidos, donde con los medios puestos a su disposición por Ford Motor Company desarrolló los métodos para producir jue­gos de bloques de calibrado a gran escala. Como resultado de ello, aproximadamente desde 1940, se producen calas Johansson de excelente calidad tanto en Estados Uni­dos como en otros países.

Los bloques de calibrado suelen hacerse de acero aleado, templado y tratado tér­micamente para provocar su «maduración» y alivio de tensiones internas para redu­cir a un mínimo las variaciones dimensionales. Algunos se hacen totalmente de car­buros, de cromo o de wolframio, para dotarlos de mayor resistencia al desgaste. Las caras de medición se rectifican por abrasión hasta la medida deseada y luego se lapi­dan para reducir el bloque a la medida final y dejar una superficie perfectamente planeada y lisa.

l. Entre la yarda patrón americana y la británica existe una diferencia del orden de las diezmilésimas. El valor indicado es el admitido universalmente como yarda industrial.

Metrología y verificación 525

Las calas Johansson suelen construirse de modo que cumplan las normas oficia­les correspondientes. En Norteamérica, las especificaciones federales GGG-G-15a y l5b establecen las calidades 1,2 y 3, cuyas precisiones son:

Grado 15a (pulgadas) 15b (milímetros)

1 (Laboratorio) ±0.000,002 ±0.000 05

2 (Precisión) +0.000,004 +0.000 10 -0.000,002 -0.000 05

3 (Trabajo) +0.000,008 +0.000 20 -0.000,004 -0.000 10

Para las calas de hasta una pulgada de longitud las cifras reseñadas son precisiones absolutas, mientras que para las de mayor longitud las cifras reseñadas son toleran­cias por pulgada. Algunas firmas suministran calas de calidad AA, equivalente al grado 1 con calidad A+, para cumplir con el grado 2.

Las calas de grado 1 (laboratorio) se emplean para comprobar y calibrar las ca­las de los otros grados. Las de grado 2 (precisión) se emplean para comprobar cali­bres patrón y las calas de grado 3. Las calas de grado 3 (Bode trabajo) se emplean para verificar instrumentos de medida rutinarios, tales como micrómetros, o en ope­raciones prácticas de calibrado.

Las dimensiones de cada bloque se establecen por métodos de interferometría óptica, merced a los cuales es posible tararlos rutinariamente con una incertidumbre de tan sólo una parte por millón.

Las calas Johansson se encuentran habitualmente en juegos compuestos de dis­tintos números de diferentes medidas, como el de la figura 16-2. Combinándolas de maneras diversas, tal como se muestra en la figura 16-3, puede materializarse a vo­luntad cualquier medida. Como ejemplo, hay un fabricante que ofrece un juego en medidas británicas formado por 81 bloques y otro en medidas métricas, formado por 88 bloques, cuyas composiciones son las siguientes:

Británico Métrico ---~--~---~~--·------

Número Número Serie de bloques Campo(") Serie de bloques Campo (mm)

0.0001 pulg. 9 O. 1001-0. 1009 2 0.5 y 1.0005

0.001 pulg. 49 0.101-0. 149 0.001 mm 9 l. 00 1-l. 009 0.050 pulg. 19 0.050-0.950 0.01 mm 49 1.01-1.49 1.000 pulg. 4 1.000-4.000 0.5 mm 18 1.0-9. 5

10 mm 10 10-120

526 Metrología y verificación

FIGURA 16-2. Juego de calas métricas, formado por 88 unidades. (Cortesía de DoALL Company.)

FIGURA 16-3. Reunión de siete calas para materializar una longi­tud determinada. (Cortesía de DoALL Company.)

Metrología y verificación 527

FIGURA 16-4. Reunión de calas sobre un soporte especial combinadas con un comparador de esfe­ra formando un instrumento de precisión. (Corte­sía de DoALL Company)

Las 81 calas del sistema británico dan más de 120000 combinaciones en incrementos de 0,1001", a partir de 0,0001" hasta más de 25". Cuando las calas se unen entre ellas ( deslizándolas una sobre otra apretando) se adhieren fuertemente y no deben dejarse en contacto durante períodos largos. _

Pueden adquirirse calas Johansson en versiones diversas: en serie fraccionaria, en serie para productos finos, para esquinas, etc., de modo que pueden materializarse patrones de gran precisión para casi todas las necesidades. Además, existen acceso­rios diversos de fijación, trazado y de apoyo que posibilitan montar instrumentos de calibrado de mucha precisión, tal como el de la figura 16-4.

Una variante muy interesante de las calas Johansson la constituye el instrumen­to de la figura 16-5. Éste se compone de una columna de calas de una pulgada, per­manentemente unidas y dispuestas al tresbolillo, de modo tal que la columna com­pleta puede ser elevada o bajada mediante un tornillo micrométrico graduado a precisión. La altura sobre la base de cada intervalo de cala se representa digitalmente en incrementos de 0,001" y en la esfera micrométrica en incrementos de 0,0001". Para realizar mediciones verticales de precisión, estos instrumentos son muy útiles en com­binación con los de tipo comparador de los que hablaremos más adelante.

Temperatura de medición normalizada. Dado que a todos los metales comúnmente utilizados les afecta dimensionalmente la temperatura, se han adoptado los 20°C co-

528 Metrología y verificación

FIGURA 16-5. Escala de alturas digital. (Cortesía de L. S. Starrettt Company.)

mo temperatura normalizada a la que realizar las medidas de precisión. A dicha tem­peratura deben tararse todas las calas Johansson, calibres, galgas y demás útiles e instrumentos de medida. Por tanto, cuando haya de medirse con una precisión supe­rior a 0,0025 mm, la operación debe efectuarse en una habitación cuya temperatura esté controlada al valor normalizado. Si bien es verdad, hasta cierto punto, que tanto la pieza como el instrumentos de medida o calibrado pueden ser afectados aproxima­damente igual por las variaciones de temperatura, no hay que confiar en ello. Las mediciones hasta 0,0025 mm no son aceptables si la temperatura se aparta mucho de los 20°C.

Ajustes. La precisión con que debe especificarse y construirse una pieza determina­da es muchas veces función del modo en que la misma ha de trabajar respecto a otras piezas. Si sólo es necesario que una pieza esté siempre ajustada dentro de otra, poco importará que la medida de la pieza más pequeña varíe notoriamente en tanto que su medida máxima sea siempre menor que la medida interior de la pieza en la que se aloja. Sin embargo, si la pieza pequeña ha de rotar suavemente dentro de la grande a velocidades elevadas con un mínimo de vibración, tal como ocurre en los cojinetes de bolas rápidos, debe prestarse una atención considerablemente mayor a la especifi­cación y control de las dimensiones. Así, la función controla la especificación de las medidas que determinan de qué modo ajustan las piezas.

Metrología y verificación 529

Para establecer el ajuste deseado entre dos piezas coincidentes deben especifi­carse dos valores: el juego y la tolerancia. El juego es el valor que se da intencionada­mente a la diferencia entre las dimensiones de ambas piezas; o sea, la diferencia entre la medida de la pieza interna mayor (eje o macho) y la de la pieza externa menor (agujero o hembra). De ese modo queda establecido cuál es el estado de máximo en­caje entre las dos piezas en contacto. El juego puede especificarse de modo que entre las piezas haya huelgo o haya apriete (también llamado interferencia). En los ajustes con huelgo, el eje, o macho, mayor es menor que el agujero, o hembra, menor, mientras que en los ajustes con apriete, o forzados, el agujero es menor que el eje.

La tolerancia es una desviación indeseada, pero admisible, respecto a una medi­da buscada y que reconoce la imposibilidad de construir una pieza exactamente con las dimensiones especificadas, si no es por casualidad, y que tal cosa no es necesaria ni económica. Por tanto, se hace necesario permitir que la medida real se desvíe leve­mente de la establecida teóricamente y controlar el grado de desviación de modo que se asegure todavía el funcionamiento satisfactorio de las piezas.

Una tolerancia puede especificarse de dos maneras. La tolerancia bilateral se es­tablece en forma de una desviación en más o menos respecto a la dimensión, o cota, nominal; por ejemplo, 50,0 ± 0,05 mm. La práctica moderna hace uso del sistema unilateral y establece la desviación en un sentido a partir de la dimensión nominal; así,

50 8 mm +0,1 mm ' -0,0 mm

En el primer caso, de tolerancia bilateral, la medida en cuestión podría variar entre 49,95 mm y 50,05 mm, con una tolerancia total de 0,1 mm. En el caso de la tolerancia unilateral, la medida variaría entre 50,0 mm y 50,10 mm, con una tolerancia total de 0,10 mm también. Es evidente que, para conseguir las mismas dimensiones máxi­ma y mínima con ambos sistemas, deben emplearse dimensiones nominales diferen­tes. Las dimensiones máxima y mínima resultantes de aplicar la tolerancia asignada reciben el nombre de cotas límites.

Es imposible establecer normas rígidas en cuanto al juego a dar al ajuste entre dos piezas; es una decisión que debe tomar el proyectista en base a la consideración del modo en que.han de funcionar. El American National Standards Institute, Inc., (ANSI) ha establecido ocho clases de ajuste que sirven como pautas de referencia para especificar el juego y la tolerancia sin más que citar el tipo de ajuste. Esas ocho clases de ajuste son:

Clase J. Ajuste holgado. Mucho juego. Para casos en que la precisión no es fun­damental.

Clase 2. Ajuste suave. Juego generoso. Para ajustes entre piezas rotatorias que giren a más de 600 rpm con presiones superiores a los 40 kp/cm2•

Clase 3. Ajuste no apretado. Juego moderado. Para ajustes entre piezas rotato­rias que giren a menos de 600 rpm con presiones inferiores a 40 kplcm2 y para ajus­tes deslizantes.

530 Metrología y verificación

Clase 4. Ajuste sin huelgo. Juego nulo. Para los casos en que no deben haber movimiento alguno bajo carga, ni se desean sacudidas. Es el ajuste más firme que puede lograrse a mano.

Clase 5. Ajuste apretado. Juego entre nulo y negativo. Los conjuntos son selecti­vos y no intercambiables.

Clase 6. Ajuste forzado. Juego ligeramente negativo. Es un ajuste con apriete para los casos en que las piezas no deben separarse durante el servicio, ni desarmarse nunca, o sólo muy raramente. Para este montaje se requiere una leve presión. No es apto para aguantar cargas fuertes, sólo muy ligeras.

Clase 7. Ajuste suave a presión. Ajuste con apriete que requiere una presión con­siderable para su montaje y que, de ordinario, se realiza calentando el miembro exter­no o enfriando el interno, para dilatarlo o contraerlo respectivamente. Se emplea pa­ra unir ruedas dentadas, poleas, platos de manivela, etc., a los ejes y árboles de transmisión. Es el ajuste con mayor apriete que puede darse a miembros externos de fundición férrea.

Clase 8. Ajustes a gran apriete o por contracción. Juego negativo considerable. Se emplea para uniones fijas de elementos de acero.

Los juegos y tolerancias asociados a estas clases de ajuste se determinan de acuerdo con las relaciones teóricas que se reseñan en la tabla 16-l. Los valores prácticos que de ellas resultan para una vasta gama de cotas nominales pueden encontrarse en las tablas contenidas en los textos de dibujo industrial y de diseño de máquinas.

En el sistema ANSI la medida que se considera básica es la del agujero, pues la mayoría de éstos se producen con brocas y escariadores de medidas normalizadas. El miembro interno, o eje, puede construirse sin dificultad a cualquier medida. En­tonces el juego y la tolerancia se aplican a la medida nominal del agujero para deter­minai las cotas límites de ambas partes. Por ejemplo, para un agujero nominal de 50 mm y un ajuste de clase 3, las dimensiones serían:

Juego: Tolerancia

Agujero Máximo Mínimo

Eje: Máximo Mínimo

0,036 mm 0,025 mm

50,825 mm 50,800 mm

50,764 mm 50,739 mm

Debe advertirse que para los ajustes tanto con huelgo como con apriete, las toleran­cias admitidas tienden a producir ajustes más holgados.

Metrología y verificación 531

TABLA 16-1 Juegos y tolerancias ANSI expresados en milímetros

Clase de Juego Apriete Tolerancia en Tolerancia en ajuste medio el agujero el eje

0,0025 u +O¡D025 Vfd -Op025 W 2 0,0014 u +0,0013 VId -0,0013 VId 3 o/ 0009 u +0,0008 VId -0,0008 VId 4 o +0,0006 VId -0,0004 VId 5 o +0,0006 VId +0,0004 VId 6 0,00025d +o ,0006 -.;y;¡ +o ,0006 -.;y;¡ 7 0,0005d +0,0006 VId +0,0006 VId 8 O,OOid +0,0006 VId +0,0006 w

El Sistema ISO de Tolerancias y Ajustes se emplea con preferencia en la ma­yoría de los países industrializados adictos al sistema métrico y es considerablemente más complicado que el ANSI que acabamos de exponer. En este sistema, a cada pie­za se le asigna una medida nominal. Entonces, los límites superior e inferior entre los que puede variar la dimensión real se definen por su desviación respecto a la nomi­nal, cuyo valor y signo se obtienen restando ésta de cada límite en cuestión. La dife­rencia entre los límites de medida de cada pieza recibe el nombre de campo de tole­rancia, que es un valor absoluto desprovisto de signo. Estas definiciones se aclaran en la figura 16-6.

FIGURA 16-6. Dimensión nominal, desviación y tolerancia en el sistema ISO. (Con permiso; de la recomendación ISO R286-1962, Sistema de Tolerancias y Ajustes, copyright 1962 del American National Standards lnstitute, New York.)

2. Este sistema y las tablas necesarias para su utilización se exponen en la publicación de la ISO R286-1962, System of Limits and Fits.

532

Agujero

Ajuste con huelgo Ajuste incierto

Ejemplos de ajuste basados en el eje

Metrología y verificación

Eje

Línea cero

Eje

Ajuste Ajuste Incierto Ajuste con apriete con huelgo

Ejemplos de ajuste basados en el agujero

FIGURA 16-7. Especificación de ajustes con base en el eje o con base en el agujero en el sistema ISO. (Con permiso; de la recomendación ISO R286-1962, copyright del American National Standards lnstitute, New York.)

En el sistema ISO se admiten tres clases de ajuste: (1) ajuste con huelgo, (2) ajus­te incierto (el conjunto puede presentar huelgo o apriete) y (3) ajuste con apriete (o interferencia).

Tal como se muestra en la figura 16-7, puede emplearse un sistema basado en el eje o un sistema basado en el agujero. Para una medida nominal dada, puede espe­cificarse toda una gama de campos de tolerancias y desviaciones respecto a la línea de desviación nula, llamada línea cero. El campo de tolerancia es función de la medi­da nominal y se designa mediante un número simbólico, llamado grado o calidad de tolerancia. La posición del campo de tolerancia con relación a la línea cero (que es también función de la medida nominal) se representa mediante una letra (o dos), mayúscula para los agujeros y minúscula para los ejes, tal como se ilustra en la figura 16-83• Así, la especificación de un agujero y eje con una medida nominal de 45 mm podría ser 45 H8/g7.

Se han acordado dieciocho grados de tolerancia, denominados IT 01, IT O, IT l-16, que dan valores nominales para cada diámetro nominal en intervalos arbitrarios hasta los 500 mm (por ejemplo 0-3, 3-6, 6-10, ... , 400-500 mm). El valor de la unidad de tolerancia i para los grados 5 a 16 es

i = 0.45 ~ + O.OOID

donde i se expresa en micras y D en milímetros. Existen asimismo conjuntos de fórmulas que dan las desviaciones normalizadas

en ejes y agujeros. Sin embargo, para su aplicación práctica, tanto los campos de to­lerancia como las desviaciones se reseñan en tres conjuntos de tablas no sencillas. Para los diámetros superiores a los 500 mm hay tablas suplementarias y también para los «Ejes y Agujeros de Uso Ordinario», éstas divididas e¡;¡. dos categorías, «Aplica­ción General» y «Mecanismos de Precisión y Relojería>>.

3. Obsérvese que la <<posición>> en el sistema ISO coincide esencialmente con el «juego» del sistema ANSI.

Metrología y verificación

as ~ "iii o a. S:: ·O ·~

·~ Q)

o

AGUJEROS

• 1

Uneacero

-¡¡¡ S::

E o S:: as :!2 "O Q)

:E

FIGURA 16-8. Posiciones de los distintos campos de tolerancia para un diá­metro dado en el sistema ISO. (Con permiso; de la recomendación ISO R286-1962, Sistema de Tolerancias y Ajustes, copyright 1962 del American National Standards lnstitute, New York.)

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534 Metrología y verificación

Visto que en el sistema ANSI, de la tabla 16-1, los juegos y tolerancias pueden expresarse tanto en pulgadas como en milímetros, para acotar planos métricos puede emplearse dicho sistema, relativamente sencillo frente al más complejo sistema ISO.

PROCEDIMIENTOS DE VERIFICACIÓN

El ámbito de la metrología, aún limitado a las mediciones dimensionales, resulta ex­cesivamente extenso para que pueda ser abarcado aquí y, por tanto, lo que resta de capítulo se centrará en las medidas de longitud y el instrumental necesario. Evidente­mente, la diferenciación entre la verificación de producción y el calibrado ha ido per­diendo importancia conforme han adquirido predominio las exigencias de mecaniza­dos de precisión. Esta tendencia hacia unas tolerancias más estrictas, y hacia una mayor fiabilidad en la medición de las mismas, ha intensificado en gran cantidad la necesi­dad de métodos de medición de precisión.

En la tabla 16-2 se resumen los métodos de verificación, citando los cuatro tipos básicos de dispositivos que pueden utilizarse: neumáticos, ópticos (luminosos y elec­trónicos), electrónicos y mecánicos. A esta tabla sigue una exposición de los factores a tener en cuenta al elegir instrumental de medida. La mayoría de las empresas dispo­nen, como mínimo, de comparadores para bloques de calibrado, planos ópticos, un supermicrómetro acaso, un instrumento para medir longitudes y un comparador óp­tico de proyección unidos a un juego de bloques AA y un interferómetro de láser. Asimismo, puede ser importante algún instrumento para medir acabados superficia­les o perfiles superficiales.

Selección de instrumentos de verificación. Una calidad y una fiabilidad mayo­res de los bienes de consumo y producción requiere mayores precisión y exactitud en las operaciones de fabricación y una verificación mejor y más rápida. Los instrumen­tos de verificación pueden integrarse en el proceso y, a menudo, estan asistidos por ordenador, abriendo así la posibilidad para retornar (feedback) información captada durante el proceso, o a la salida de éste, al ordenador de mando de la máquina. Ade­más de esta verificación en el proceso, las materias primas hay que comprobarlas junto con los productos terminados. En general, son seis los factores a considerar cuando se elige instrumental para realizar una labor de verificación mediante técnicas de me­dición.

l. Regla del JO. El aparato de medida (o calibre de fabricación) debe ser diez veces más preciso que la tolerancia a medir. De hecho, esta regla es aplicable, tal como se indica en la figura 16-9, a todas las etapas de la secuencia de inspección. El calibre maestro debe tener una precisión diez veces mayor que el instrumento de verificación. Y, análogamente, la precisión del patrón de referencia con el que se