Resumen de Fabricaion Aeroespacial

Agustın de Gabriel Puentes *

15 de junio de 2014

*Basados en los apuntes y diapositivas de Fabricacion Aeroespacial de la ETSIAE

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Indice

1 NOTA 4

2 Mecanizado 42.1 Caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Mecanizado de alta velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Elementos de una operacion de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3.1 Pieza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.2 Herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.4 MOVIMIENTO RELATIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 Clasificacion de Maquina Herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6 Descripciones Breves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.6.1 Torno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.6.2 Taladro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.6.3 Fresado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Tolerancias 93.1 Tipos de ajuste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Tolerancias Geometricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Operaciones con cotas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.1 Worst Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3.2 Root Sum Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Soldadura 144.1 Oxigas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Electrica Por Arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2.1 Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.2.2 Sumergido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2.3 Tungsten Inert Gaswelding (TIG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2.4 Metal Inert Gaswelding (MIG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2.5 TIG vs MIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.3 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 Acabado Superficial 255.1 Parametros y Elementos Geometricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6 Metrologıa 286.1 Tolerancia e Incertidumbre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

7 Fundicion 307.1 Proceso General de Fundicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.2 Materiales Empleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317.3 Diseno Dimensional de Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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7.4 Sistema de distribucion, alimentacion y control termico . . . . . . . . . . 327.5 Clasificacion general de Procesos de moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.6 Moldeo en Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.6.1 Caracterısticas del Moldeo en Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.7 Moldeo en Cascara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.7.1 Caracterısticas del Moldeo en Cascara . . . . . . . . . . . . . . . . 367.8 Moldeo a la Cera Perdida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.9 Moldeo en Coquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7.9.1 Caracterısticas del Moldeo en Coquilla . . . . . . . . . . . . . . . . 37

8 Sinterizacion 388.1 Obtencion de Polvos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

8.1.1 Procesos Mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408.1.2 Procedimientos Fısico-Quımicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Desgasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418.3 Consolidacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428.4 Sinterizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.4.1 Sinterizado Sin Presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428.4.2 Sinterizado Con Presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.5 Operaciones de Acabado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448.6 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

9 Procesos de Deformacion Plastica 459.1 Comportamiento Plastico de los Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.2 Deformacion Homogenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.3 Analisis Local de Tensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489.4 Analisis mediante campos de lıneas de deslizamiento . . . . . . . . . . . . 519.5 Analisis Lımite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539.6 Procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.6.1 Laminado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559.6.2 Forja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569.6.3 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579.6.4 Conformado Superplastico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

10 Resolucion de Problemas 5810.1 Problemas de Mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5810.2 Problemas de Tolerancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5910.3 Problemas de Acabado Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6010.4 Problemas de Metrologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6010.5 Problemas de Conformado por deformacion plastica . . . . . . . . . . . . 60

10.5.1 Bloques Rıgidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6010.5.2 Lıneas de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

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1. NOTA

Se hace saber de antemano que estos apuntes estan sacados de las diapositivas pro-porcionadas por los profesores, y el libro de fabricacion aeroespacial. Por lo tanto puedenexistir errores de transcripcion y, en menor medida de conceptos.

2. Mecanizado

El mecanizado consiste en la obtencion de la geometrıa de una pieza final (su forma)mediante la eliminacion de materia.Existen dos tipos de mecanizado:

Mecanizado Convencional: Aquel que elimina materia mediante el movimiento re-lativo Pieza/Herramienta

Mecanizado No Convencional: Aquel que elimina materia con otros medios (Quımi-cos,

2.1. Caracterısticas

El mecanizado se caracteriza por su versatilidad, la capacidad para alcanzar tole-rancias estrechas, un coste bajo en comparacion con otros procesos , , automatizadoy de alta velocidad, con una gran difusion, de aplicacion en la industria Aeroespacial.

2.2. Mecanizado de alta velocidad

Sustituyen pocas pasadas lentas de gran profundidad por muchas, rapidas y de pocaprofundidad. el movimiento principal lo lleva la herramienta y se alcanzan grandısimasvelocidades de corte y avance. Las herramientas menos adecuadas para este procesoserıan las de aleacion de base niquel porque tienen velocidades de limitacion por desgas-te bajas.Las principales ventajas de estos procesos son las reducciones (↓) de tiempo, tensio-nes de la pieza y calentamiento de la pieza, la mejora del acabado superficial yposibilidad de uso de herramientas de menor tamano (micromecanizado).

2.3. Elementos de una operacion de mecanizado

Pieza: Elemento que sufre la eliminacion de material

Herramienta: Elemento conformador de alta dureza y que sufre un gran calenta-miento.

Maquina Herramienta: Conjunto de dispositivos que posibilitan el mecanizado (uti-llaje)

Control: Elemento que controla la ejecucion de la operacion.

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2.3.1. Pieza

La pieza se compone de un material cuya composicion quımica, estructura y com-portamiento termico definen su maquinabilidad, mientras que es la geometrıa que sedesea obtener (tamano, tolerancias, acabado superficial,...) la que define el proceso ausar.En la Industria Aeroespacial, se utilizan Aceros→ grandes dimensiones, Aleaciones Ter-moresistentes → complejidad geometrica y Aleaciones ligeras → tolerancias estrechas

2.3.2. Herramienta

La herramienta utilizada en un proceso de mecanizado se caracteriza por tener unaarista que penetra en el material con un angulo de incidencia α. las herramientas puedenser monofilo o multifilo, y de un material u otro dependiendo del proceso a realizar (sehablara mas tarde de este tema).

2.4. MOVIMIENTO RELATIVO

Principal Avance Penetracion

Responsable de Eliminar Material Arranque continuode material

Cantidad eliminada

Caracterıstica Consume la potenciadel proceso

Marca la trayectoriade la herramienta

Posiciona pieza yherr-amienta

Parametro Velocidad de corte a) Avance b) Veloci-dad de avance

Profundidad de pa-sada

Sımbolo v (m/min) a) f (mm) b)vf(mm/min)

aP (mm)

2.5. Clasificacion de Maquina Herramienta

Pieza Torno [Monofilo (1)]

Rotacion Taladro [Multifilo(2)]Herramienta Fresadora (2)

Mandrinadora (1)Maquina Herramienta Rectificadora (2)

Limadora (1)Herramienta Mortajadora (1)

Traslacion Brochadora (2)

Pieza Cepillo (1)

0En esta seccion es recomendable que se miren las diapositivas para ver las fotografias y esquemas decada uno de las maquinas

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2.6. Descripciones Breves

Mandrinadora: Equivalente a la fresadora pero con monofilo, normalmente con ejehorizontal, capaz de realizar multiples agujeros coaxiales.[Video Mandrinadora]

Rectificadora: Utiliza una muela (herramienta “multifilo” que consiste en granosde elemento abrasivo unidos por aglutinante) para producir acabados [Video Rec-tificadora]

Limadora: Permite mecanizado de superficies planas o de ranuras en una direccionparalela al desplazamiento de la herramienta monofilo [Video Limadora]

Mortajadora: Limadora de eje vertical (monofilo) [Video Mortajadora]

Brochadora: Uso de herramienta multifilo para el mecanizado de ranuras de forma[Video Brochadora]

Cepillo: Similar a la limadora pero con movimiento de la pieza (util para piezas demayor tamano. [Video Cepillo]

2.6.1. Torno

El Torneado es el conjunto de operaciones realizadas en el torno, que como se veen el esquema anterior su movimiento proncipal es de rotacion y genera geometrıas derevolucion Las principales operaciones que se pueden realizar con el torno son:(Nomenclatura:N = velocidad angular,D = diamtero ,AC = seccion de viruta indeformada,b =anchode corte,FC = Fuerza de corte, tm tiempo de mecanizado, le/s = longitud de entra-da/salida, l = longitud a cilindrar, kr = angulo de posicion, aP =profundidad de pasada[mm], ks = Presion de corte [MPa], v = Velocidad de corte [m/s],f = avance [mm/rev])

Cilindrado: Transformar la pieza en un cilindro

z = Acv = faP v = baCv

v = πND1000

Vf = fN

W = FCv = ksACv

tm = le+l+aP cot kr+lsfN

Refrentado: Recortar la pieza

z = Acv = faP = baCv

V = πND1000

Vf = fN

W = FCv = ksACv

tm =le+

(Di−Df

2

)+aP cot kr+ls

fN

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Roscado: Generar una rosca en la pieza

Cajeado (Tronzado o de forma): Generar una rendija en la pieza

Taladrado: Agujerear la pieza

Moleteado: Otorgar a la pieza un motivo o estampado superficial.

2.6.2. Taladro

El taladro es una herramienta multifilo con velocidad variable en la arista de corte,seccion de viruta constante, y capaz de cumplir tolerancias dimensionales de posicion yorientacion Las operaciones que se pueden llevar a cabo con un taladro son: (Nomencla-tura: nf = numero de filos)

Taladro con broca: hacer un agujero

AC = bacnf = fznfD2 = f D2

z = πD2

4 fN = baCnfv

v = πND1000

Vf = fN

W = FCv = KsACv

tm =le+l+

D2

cot kr+lsfN

Escariado: realizar un preparado superficial de un agujero (entrar en tolerancias)

Avellanado: ampliar la seccion superficial de un agujero (normalmente para alojarla cabeza de un tornillo o tureca)

Roscado: para alojar tornillos

Mandrinado: Preparado superficial del agujero o ampliacion del mismo.

2.6.3. Fresado

El fresado es un proceso de mecanizado con una herramienta multifilo, seccion deviruta variable, fuerza de corte y potencia variable y corte intermitente. Las principalesoperaciones de fresado son:

Planificado: Convertir una superficie en plana

Escalonamientos rectos o inclinados

Ranurado: Crear una ranura

Ranurado en T: Crear una ranura con anchos diferentes

Recanteado: ajustar las tolerancias de un canto saliente

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Chaflanado: Hacer un chaflan

Perfilado: crear una superficie en concreto definida previamente

Para todas las operaciones existen dos tipos de opiciones de fresado:

Cilındrico: Con la herramienta en “vertical” sobre la pieza (Izquierda)

z = fNbaP

vf = Nf

W = ksbaP fNv

tm =le+l+2

√aP (D−aP )+lsfN

En oposicion: aleja la pieza de la herramienta (como sale en la figura si el giroes en sentido antihorario)

En concordancia: arrastra la pieza hacia la herramienta (si en la figura derechagirase en sentido horario, aunque en la figura no se pudiese mecanizar)

Concordancia Oposicion

Vibraciones Peor (↓) Mejor(↑)Sujecciones Mejor (↑) Peor (↓)

Frontal: (Derecha) con la herramienta “tumbada” sobre la pieza (Nomenclatura:w = ancho de la pieza que esta siendo fresado

z = waP fN

vf = Nf

W = ksz

tm = le+l+D+lsfN

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3. Tolerancias

Las tolerancias son intervalos dentro de los cuales una cota funcional puede variarsin perder la funcionalidad ni intercambiabilidad. 1 Cuando se otorga una ToleranciaDimensional ISO, se dan tres datos por ejemplo:

Valor nominal de la cota︷︸︸︷42 c︸︷︷︸

Posicion

Grado de tolerancia IT︷︸︸︷7

Valor nominal: determina la linea de referencia

Posicion: limite superior o inferior del intervalo de tolerancia respecto a la linea dereferencia 2

Grado de tolerancia: Amplitud del intervalo de tolerancia

3.1. Tipos de ajuste

Un ajuste viene determinado por un valor nominal comun, y dos tolreancias (agujeropor un lado , eje por otro).

Sistema Agujero base: todos los agujeros se fabrican con la posicion H, los ejesvarıan. (Mas utilizado por facilidad de fabricacion de ejes) [ ↑ Fabricacion]

Sisemta E1je base: todos los ejes se fabrican con la posicion h, los agujeros varian.(Se utiliza por su facilidad de creacion de calibres tampon)[ ↑ Verificacion]

3.2. Tolerancias Geometricas

Son tolerancias de forma, orientacion,... , particularmente dificiles de medir, suelenser mas que de una dimension.

1Me he saltado toda la parafernalia legal2Recordar: H = agujero con lımite inferior 0

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Estas tolerancias se suelen colocar en cajetines en los planos , senalando segun elorden:

1. Tipo de Tolerancia

2. Valor

3. Elemento/os (en ocasiones se coloca una flecha senalandolo, ademas en el caso deque se haya prolongado la cota, quiere decir que se aplica en el eje.)

Para indicar el elemento de referencia se suele colocar una flecha invertida

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3.3. Operaciones con cotas

En la realizacion de un plano se pueden tener ciertas medidas por su utilidad a lahora de disenar y calcular tolerancias, y sin embargo ser preferible para su produccionproporcionar otras. Por ello surgen las operaciones con cotas:

Adicion: Permite conocer el valor de cotas que no aparecen en el plano

Sustitucion: Permite rehacer la acotacion del plano.

Y para resolver estas dos operaciones surgen los metodos:

Aritmetico: Metodo del Worst Case (WC)

Estadıstico: Metodo del Root Sum Squares (RSS)

Simplificacion frecuente: Distribucion normal y Capacidad de produccion Cp =T6σ = 1

C B

A

3.3.1. Worst Case

Pasos para la resolucion de Adicion:

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1. Resolver la Cota que no aparece en la cadena y obtener un valor (en el caso de quefaltase C):

C =∑

A−∑

B

2. Calcular las desviaciones superiores e inferiores.

Cmax =∑

Amax −∑

Bmin

Cmin =∑

Amin −∑

Bmax

Pasos para resolver el problema de Sustitucion:

1. Resolver la ecuacion de sustitucion (suponiendo que se quiere sustituir B por lacota que no esta en el plano, C):

B =∑

A−∑

C

2. Calcular las desviaciones superiores e inferiores del mismo modo:1

Bmax =∑

Amax −∑

Cmin

Bmin =∑

Amin −∑

Cmax

3.3.2. Root Sum Squares

Pasos para la resolucion de Adicion (suponiendo que faltase la cota C):

1. Hallar el valor de la cota que se dese anadir (igual que adicion con WC)

2. Determinar el centro del intervalo sabiendo que ( siendo Y cualquier cota queaparezca en el plano):

XY = Ymin +Ymax − Ymin

2

XC =∑

XA −∑

XB

3. Calcular la desviacion tıpica de la poblacion: σ2C =

∑σ2A +

∑σ2B

4. Determinar la amplitud del intervalo de tolerancia (T ): Cp = TC6σC' 1→ Habitualmente

(redondeo siempre hacia arriba ↑)

Pasos para la resolucion de Sustitucion (suponiendo que se desea sustituir B porC)

1Se hace saber que aunque las operaciones parezcan iguales a las de adicion los resultados son distintos,

el ejemplo de las diapositivas lo ilustra muy bien A = 40+0,1−0,1 ; B = 10+0,1

−0,1 : C =Adicion: 30+0,2

−0,2

Sustitucion: 30+0−0

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1. Hallar el valor de la cota que se desea anadir mediante:

B =∑

A−∑

C

2. Determinar el centro del intervalo:

XB =∑

XA −∑

XC

3. Determinar la desviacion tıpica de la poblacion: σ2B =

∑σ2A +

∑σ2C

4. Determinar la amplitud del intervalo de tolerancia (T ): Cp = TC6σC' 1→ Habitualmente

(redondeo siempre hacia abajo ↓)

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4. Soldadura

La Soldadura es la union de piezas mediante la elevacion de la temperatura, conun aporte calorıfico en las caras muy cercanas o puestas en contacto. En ocasiones elmaterial a soldar (llamado material base ) fundira y en otras no. En ocasiones a partede dos piezas de material base (MB), tambien puede existir un tercero llamado materialde aporte (MA) La clasificacion de la soldadura puede ser segun:

Materiales empleados:

• Homogenea: El material base y el de aporte si fuera necesario es el mismo (enel caso de no serlo serıa Autogena.

• Heterogenea: Al menos uno de los materiales es distinto.

Comportamiento de los materiales y aporte energetico:

• MB no funde pero MA sı:

◦ Soldadura fuerte “Brazing” (TliqMA > 450oC):

� Soldadura a la Plata: (600-800o) El material de aporte penetra muybien por capilaridad, da muy buena estanqueidad y comportamientoa corrosion

� Soldadura amarilla: [Cu; Cu-Zn] Mas barata que la anterior y conmenos capilaridad (uso en fontanerıa)

◦ Soldadura blanda “Soldering” (TliqMA < 450oC): El material de aportesuele ser Sn-Pb (250o), [Sn-Zn en aluminio] mal comportamiento frentea corrosion y baja resistencia estructural.

• MB funde y MA funde (es muy importante que ambos materiales sean com-patibles y estables) seguun su aporte energetico:

◦ Oxigas: Calor por combustion

◦ Electrica:

� Por Arco: TIG,MIG, Convencional, Hidrogeno)

� Por Resistencia: Puntos, Protuberancias, Costura

◦ Otros: (Haces de partıculas, Aluminotermica)

• MB no funde y sin MA: (gran importancia de la presion de los componentes)Difusion, friccion, ultrasonidos, explosivos,...

Soldabilidad: Aptitud de un material para ser soldado. La soldabilidad mejora (↑)cuando: El calor especıfico (ce ↓) disminuye y la conductividad termica (α ↓) disminuye.Un gran problema de la soldadura es la perdida de propiedades en el punto soldado,debido a que se ha modificado el tratamiento termico recibido en un principio. Tıpicosejemplos de esto son el acero inoxidable que enlaza permite la oxidacion en el cordon desoldadura, o la fragilidad del Al por absorcion de Hidrogeno, enfriamiento rapido, etc.

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4.1. Oxigas

Se suelen utilizar Oxıgeno puro (bombonas a 150atm) y Acetileno 3 (se obtienemediante reaccion de Carburo de Calcio con Agua). La reaccion es:

2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O + Energıa

en el equipo se utiliza un manorreductor, para reducir la presion de salida, tubos deconexion, un soplete equipado con valvulas antirretorno (para garantizar que la llamano se propague hacia la bombona) , boquilla y elementos auxiliares para el operario.Segun el tipo de llama se obtendra una u otra soldadura. El tipo de llama es segun su:

Dardo (8-10mm)

Penacho

3mm

Máxima Temperatura

Composicion:

• Neutra: cuando la mezcla es estequiometrica

3El Acetileno tiende a la polimerizacion formando benzeno, y si se somete por encima de cierta presionse descompone de manera violenta

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• Oxidante: cuando hay exceso de oxıgeno. Ello genera:

◦ Dardo Afilado y Penacho Corto

◦ Oxidacion del Cordon de soldadura

◦ Mayor Temperatura de llama (puede producir Oxicorte)

• Carburante: Exceso de Acetileno:

◦ Dardo Alargado

◦ Aceramiento del cordon

◦ Menor Temperatura de llama

Presion:

• Baja: da lugar a una llama blanda, apta para soldar chapas finas

• Normal: (1-3 kg/cm2 en O2)

• Dura: Presion mas alta de la recomendada para soldar grandes espesores.

Materiales de aporte segun el material base(Ejemplo)

MATERIAL BASE MATERIAL DE APORTE

Aceros al Carbono Aceros al Mg o Mn

Aceros Especiales Aceros CrV o CrMo

Aceros Inoxidables Aceros, Ti o W

Cobre Cu con Sn-Al o Sn

Aluminio Aluminios, Al-Si

Mg, Ti, Be Identicos

4.2. Electrica Por Arco

Fases de una soldadura electrica por arco:

1. Cortocircuito Inicial

2. Efecto Termoionico: emision de e− hacia el anodo (+) que se encuentran con elgas

3. Disociacion de moleculas del gas generando iones positivos con masa que chocancontra el catodo(-) calentandose mas y produciendo mas electrones

4. Conductividad a traves del gas, se establece el arco electrico (se dice que esta“ce-bado”).

El reparto de energıa aportada es: 23 al anodo y 1

3 al catodo , y se alcanzan temperaturasde hasta 3500oC (por lo que permite soldar mayores espesores que la soldadura oxiace-tilenica. La corriente que se le suministra al arco puede ser: Continua (↑ estabilidad yprecio), Alterna (↓ estabilidad y precio). Y en el caso de ser continua podra ser:

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Polaridad Directa(CCPD): La pieza es positiva (el electrodo, catodo es el queemite electrones lo cual es beneficioso por que esta preparado para ello) se consiguenarcos mas estables y mayor fusion (la pieza absorbe mas energıa)

Polaridad Inversa(CCPI): La pieza es negativa arco menos estable, menor fusionde la pieza (absorbe menos energıa) pero produce un efecto de decapado mecanico(destruye las posibles capas protectoras ) gracias al impacto de los iones cargados.

Una vez cebado el arco, la tension en el mismo es baja (10V-30V) pero la intensidad esmuy elevada. La relacion voltaje intensidad vendra dada por:

V = a+ bl

I

Siendo V la tension en voltios, a y b constantes en funcion del material y el gas y l lalongitud del arco.

Un elemento indispensable en la soldadura electrica por arco, es el electrodo cuyamision principal es mantener el arco electrico, aunque en ocasiones realizan el aporte dematerial los electrodos se pueden clasificar:

Refractorios (No Consumibles): suelen ser de W o grafito se emplean en procesosde soldadura TIG

Consumibles: son material de aportacion

• Revestidos: Electrodos recubiertos de polvo compactado (Rutilo, acidos,...)Tıpicos de soldadura convencional.

• Desnudos: Sin revestimiento , necesitan un gas protector o fundente externo(soldadura MIG y soldadura por arco sumergido).

El tipo de revestimiento se escoge segun una mision a mantener:

Electrica: Favorecen el arco electrico, contienen sustancias que facilitan la emisionde electrones

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Fısica: Favorecen la deposicion de material aportado ademas de proteger el bano

Metalurgica: Disuelve los oxidos y aporta aleantes mejorando las caracterısticasmetalurgicas del cordon.

Sabiendo esto los tipos de revestimiento pueden ser:

Rutilo (TiO) Mision electrica.

Acidos: Mision primaria electrica y secundaria metalurgica

Basicos: Mision primaria metalurgica (MALA mision electrica)

Volatiles: Mision fısica.

4.2.1. Convencional

Elementos:

Fuente de alimentacion: existen diferentes tipos

• Corriente Alterna: transformadores (baratos)

• Corriente Continua:

◦ Rectificadores (electronicos) economicos y sin casi mantenimiento perocon arco menos estable (a)

◦ Generadores: con arco mas estable pero mas caros y con necesidad demantenimiento (b)

Pinza portaelectrodos

Mordaza de masa 4

Equipos de proteccion

4NOTA: Para que nos entendamos, la otra pinza

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4.2.2. Sumergido

Soldadura automatica, hay un fundente que recubre el electrodo, y el aporte dematerial se hace de manera automatica. El electrodo es desnudo y esta enrollado , pocoantes del arco una tolva lo recubre con fundente. (suele existir un sistema de aspiraciondel polvo fundente sobrante.

VENTAJAS INCONVENIENTES

Mayores espesores Puesta a punto mas complicada

No depende de la pericia del operario Equipo mas caro

Cordon uniforme Solo util en soldadura plana y horizontal

Aprovechamiento maximo de la varilla

4.2.3. Tungsten Inert Gaswelding (TIG)

Utiliza como proteccion del arco un gas inerte y como electrodo uno refractario deTungsteno (W ) del tipo no consumible. El gas inerte suele ser Ar o He se necesita aparteuna varilla de aportacion (desnuda). Para las distintas polaridades de corriente continua:

Directa (pieza → anodo (+))

• Mayor penetracion en la pieza

• Arco estable ( el W tiene una gran capacidad de emision de e−)

• No hay decapacion

Inversa (pieza → catodo (-))

• USO EN ALUMINIO (uso de la decapacion para romper la capa de alumina)

• El anodo se calienta mas (electrodo) y por tanto es necesario un sistema derefrigeracion.

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• Se necesita un elevado numero de voltios (200V) para permitir la emision deelectrones por parte del aluminio

Para conseguir los beneficios de ambas se utiliza corriente alterna. Debido a que serequiere el alto voltaje para que funcione la polaridad inversa, y un equipo que produjese200V y 100A requeriria mucha potencia, se recurre al uso de dos ondas superpuestas:

1. Onda de soldeo: I=100A , V= 10 V

2. Onda de excitacion I=mA y V=200V poca potencia, sin capacidad de fusionperoque facilita la emision de e− desde el Al. (dado que esta onda debe estar presenteen todos los semiperiodos, debera ser de alta frecuencia.

Por ello se deduce que los principales problemas de soldeo de Al son:

Presencia de Alumina, que necesita ser eliminada → Uso de corriente alterna

Baja emision de electrones, se necesitan altas tensiones para lograrlo → Usode ondas de alta frecuencia

Rapida oxidacion del bano, en el caso de detener el proceso de soldado deinmediato se oxida.→ POST-GAS

Alto coeficiente de expansion termica: riesgo de grietas en el cordon. →Control de la intensidad con temporizador o pedal

La soldadura TIG puede provocar interferencias con equipos de radiofrecuencia

Esquema TIG:5

1. Fuente de alimentacion de alta frecuencia

2. Suministro de gas de proteccion

3. Suministro de agua de enfriamiento

5El resto seria 6 Masa, 7 pedal de control de intensidad pero no lo especifica

20

4. Pistola

5. Material de aporte

Otro tipo de equipos TIG son:

TIG automatico: No hay intervencion por parte del operario, se pueden usar in-tensidades mas altas y por lo tanto se pueden soldar espesores mayores. (Soldeo aIzquierdas)

TIG de CCPD: No valido para Al, pero permite soldar espesores mayores de otrosmetales.

TIG por puntos: Permite soldar a solape espesores de 1,5 mm y los parametrosinfluyentes son Intensidad (I) y tiempo (t)

4.2.4. Metal Inert Gaswelding (MIG)

En este tipo de soldadura, el electrodo, sera muy parecido al del material a soldar,siendo consumible y aportandose de forma automatizada. Es interesante que ocurra unadecapacion de la pieza y un calenamiento del electrodo por lo tanto utilizara CCPI(Inversa). Hay dos posibilidades de regulacion del arco electrico.

Autorregulacion: la velocidad de aporte es constante por lo tanto la fuente dealimentacion debe ser de caracterıstica plana

Arco Regulado: Se mantiene la intensidad de arco constante y se hace va-riar la alimentacion. Los cordones son mucho mas uniformes, pero el sistema esconsiderablemente mas caro (debe detectar V y ajustar la velocidad de aporte)

El transporte del material al bano depende de la intensidad de corriente J. El Al establecela frontera entre ambos casos (J=80A/mm2):

J<80: Regimen Globular: se provocan gotas que caen por accion de la gravedad ala pieza. Se consigue poca penetracion pero se regula la cantidad producida.

J>80: Regimen Rociado (Spray Arc): el material de aporte sale lanzado comomicrogotas mejorando la penetracion.

Se busca por tanto una “mezcla” de ambos efectos, combinando un buen tamano de gotay el rociado. por ello se suelen buscar densidades de corriente del tipo:

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Por ultimo en equipos MIG convencionales se tiene el siguiente esquema:

Aunque, al igual que con el MIG, existen variantes:

MIG manual:espesores de entre 5mm y 10mm

MIG automatico (el que se ha considerado hasta ahora)

MIG de intensidad elevada:J ≈650A/mm2, que garantiza una mayor penetracion,pudiendo soldar espesores de entorno a 20mm

MIG por puntos: permite unir dos chapas, encontrandose la superior taladrada,rellena el taladro y se funde con la chapa inferior (espesores menores a 5mm)

MAG: Utiliza un gas Activo C02 en lugar del gas inerte no vale para el Al ni acerosInOx, se emplea para aleaciones ferreas debido a que es una opcion mas economica(gas barato)

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4.2.5. TIG vs MIG

TIG MIG

Electrodo Refractario (NO consumible) Consumible

Corriente Alterna+AltaFreq. o CCPD CCPI

Espesor (Al) <5mm >5mm

Control de bano Bueno No controlado

Velocidad Baja Alta

Coste Alto Muy Alto

Direccion de Soldeo Izquierdas Derechas

4.3. Resistencia

En la soldadura por resistencia (por puntos en este caso), se hace pasar corriente pordos conductores, que al estar en contacto con las piezas a solape aumentan la temperaturade las entrecaras por efecto Joule. El calor total suministrado sera: Q = IRt.

En el diagrama, la Resistencia R3 debe ser mayor que R2 y R2’. R0 y R0’ son lasresistencias de los electrodos, que suelen ser mınimas (electrodos de cobre). Los parame-tros principales del proceso son Intensidad, Tiempo y Presion. La relacion intensidadtiempo, da dos tipos de soldadura:

Rapida: Se alcanza una mayor produccion de soldaduras, pero el material traba-jara mal a fatiga debido a que no ha dado tiempo a la correcta difusion.

Lenta: Baja la produccion pero mejora las propiedades estructurales de la union(mejor tenacidad, comportamiento a fatiga, etc).

La presion tambien juega un papel clave dado que si no se aplica suficiente presion (P ↓)tanto R2 como R2’ (↑) y hay peligro de contaminacion del electrodo. Si por el contrariose aplicase demasiada presion (P ↑) R3 (↓) bajarıa demasiado y no habrıa fusion.Hay que tener ciertas consideraciones en el caso del Al.

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Problema de conductividad

Intervalo de fusion y zona de trabajo fino

La alumina posee R3 alta y por lo tanto R2 y R2’ altas

Coeficiente de Contraccion alto, riesgo de grietas internas dificilmente detectables

Por ello se disena un esquema de Presion (discontinua) Intensidad(continua) Tiempoque consta de 3 fases:

1. Arrimado, contacto sin intensidad y alta presion (rompe alumina)

2. Soldadura disminucion ligera de la presion y se eleva intensidad)

3. Forja, se vuelve a aumentar la presion para mejorar la difusion.

Y como en los casos anteriores, sus variantes son:

Por puntos

Por Protuberancias se suelda en unos resaltes de las chapas

Por costura: dos rodillos (en lugar de electrodos) generan la union.

VENTAJAS INCONVENIENTES

Rapidez Dificil verificacion

No hay deformacion Necesita accesibilidad

No hay concentracion de tensiones Debe ser a solape (salvo excepciones)

Trabaja bien a fatiga (Lenta) Necesita un buen estado superficial

Aplicable a muchos materiales

Variante de soldeo a tope

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5. Acabado Superficial

El acabado superficial estudia las caracterısticas microgeometricas de las superficiesy su efecto sobre la funcionalidad de las mismas, siendo los posibles comportamientosfuncionales:

Tribologıa: Desgaste

Corrosion y fatiga

Efectos aerodinamicos

Reflexion de ondas electromagneticas

Recubrimientos electrolıticos

Se define Perfil como el lugar geometrico de los puntos de interseccion entre la super-ficie considerada y un plano perpendicular a la misma. Para el estudio de perfiles serrealiza primeramente un filtrado con un filtro de longitud de onda (Filtro de onda lar-ga+Filtro de onda corta) que acotan las frecuencias de oscilacion observadas en el perfil,obteniendose:

Perfil obtenido Perfil al que se aplica Filtro Aplicado

Primario (P) Efectivo Onda corta (λS)

Rugosidad (R) Primario Onda larga (λC)

Ondulacion (W) Primario Onda corta (λC) y Onda larga (λf )

Cuando se estudia una superficie con un Rugosımetro para la obtencion de un perfil, sedistinguen 3 longitudes:

Longitud de exploracion: (la mas grande) recorrido del palpador

Longitud de medicion: En la que se generan medidas (lm)

Longitud(es) Basica(s): en la que se calculan los parametros (ls)

Existen ademas dos tipos de lineas: central (paralela al eje X)[zcentral = b] y media (noparalela)[zmedia = ax+ b]. 6

6Aunque no sale en las diapositivas, la determinacion de la b se hace con:

b =Area del perfil

l=

∫ l0Z(x)

l→

∑ni=1 zi

n

25

5.1. Parametros y Elementos Geometricos

Se llamara pico a los maximos del perfil y valles a los mınimos. Los parametros derugosidad son (se muestran dos ecuaciones dado que puede ser discreto o continuo):

Rugosidad Maxima: (RZ) Suma de altura maxima de pico y profundidad maximadel valle contenidos en la longitud basica

Rugosidad Total: (Rt) Suma de altura maxima de pico y profundidad maxima delvalle contenidos en la longitud de medicion

Rugosidad Media Aritmetica: (Ra) Media aritmetica de los valores absolutos delas ordenadas Z(x) d elos puntos que componen el perfil en la longitud considerada7

Ra =1

l

∫ l

0|Z(x)|dx

Ra =1

n

n∑i=1

|zi|

Rugosidad Media Cuadratica: (Rq) Es la media cuadratica de las ordenadas Z(x)de los puntos que componen el perfil en la longitud considerada

Rq =

√1

l

∫ l

0Z(x)2dx

Rq =

√√√√ 1

n

n∑i=1

z2i

Tasa Media del Perfil Portante: (Rmr(c)) para una altura c, es el cociente expresadoen tanto por ciento, entre la longitud de interseccion del perfil con una lınea paralelaa la direccion general del perfil y la longitud de evaluacion.

Rmr(c) =

∑li(c)

lm· 100

7Recordar: Para la rugosidad aritmetica, se pueden simplemente sumar las areas graficamente

26

La representacion en los planos es tal y como muestra la siguiente figura:

Ra

27

6. Metrologıa

La metrologiıa es la ciencia que estudia la medicion de magnitudes fısicas con exac-titud. “Se busca un valor verdadero x0, se realiza una o varias medidas xi y se obtieneun intervalo de magnitud x+U

−U donde U es la incertidumbre de medida”. El instrumentode medida (ejemplo con regla estandar de 30cm), que se utilice tendra las siguientespropiedades:

Division de Escala (d): mınima cantidad de magnitud que el instrumento es capazde medir (1mm).

Campo de Medida (C): rango de valores de la magnitud en los que el instrumentofunciona de acuerdo con las especificaciones del fabricante (0-30 cm).

Incertidumbre (U): semiamplitud del intervalo asociado a la medida, dentro dela cual se espera encontrar el verdadero valor de la magnitud medida (0.5mm)[U ≥ d

2 ]

A la hora de medir se pueden producir una serie de errores, por ejemplo de contacto(los puntos de contacto de la herramienta de medicion no son adecuados, en cuyo casohabra que utilizar otra herramienta) de posicionemiento (un reloj comparador inclinadoun angulo α otorgara medidas menores [error de coseno drecto = dinclinado

cosα ]).Otro util en el campo de la metrologıa es el Patron, un objeto que materializa una unidadde medida, cuyas propiedades deben ser:

Unicidad: Debe ser una medida unica. (serıa deseable la existencia de un unicopatron pero ello es imposible)

Invariablilidad: No debe variar por temperatura, tiempo, etc.

Trazabilidad: Accesible

Y puede ser primario (si su materializacion se realiza a partir de la definicion fundamen-tal recogida en el Sistema Internacional de Unidades) y secundario (en caso contrario)

6.1. Tolerancia e Incertidumbre

Para la medida de un instrumento conuna tolerancia adecuada sin incrementar elgasto en exceso (sin ganar a pensa precision en la medida) y teniendo una medida util,se debera cumplir:

3 ≤ T

2U≤ 10

Por otro lado si se supone una produccion de una pieza con medida nominal x0 toleranciadimensional T , una distribucion normal de la produccion de la misma y unas medicionesrealizadas con un instrumento de incertidumbre U , se tiene:

28

Y por lo tanto se puede calcular el numero de piezas de cada tipo:

Correctas:

α =

{2Φ[T/2−U

σ

]− 1→ En distribucion normal

2F [T/2− U ]− 1→ En distribucion uniforme

Defectuosas:

β =

{2− 2Φ

[T/2+U

σ

]→ En distribucion normal

2− 2F [T/2 + U ]→ En distribucion uniforme

Dudosas:

δ =

{2Φ[T/2+U

σ

]− 2Φ

[T/2−U

σ

]→ En distribucion normal

2F [T/2 + U ]− 2F [T/2− U ]→ En distribucion uniforme

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7. Fundicion

El Condormado por Fundicion y Colada se define como el conjunto de operacionesque permite dar forma a los materiales metalicos mediante su fusion, colado sobre el oldeapropiado y posterior solidificacion en el.

Ventajas:

• Complejidad: permiten el conformado de piezas con zonas de difıcil acceso,inviables por otros medios

• Precio: las piezas obtenidas suelen ser mas economicas que las estampadas ylas mecanizadas, ademas de tenerse un mayor aprovechamiento del material

Desventajas: (Divididas en 3 subgrupos)

• Material:

◦ Menor Resistencia mecanica (Salvo coquilla y moldeo a presion)

◦ No es posible asegurar la homogeneidad de la pieza ni entre otras piezas

• Geometrıa:

◦ Tolerancias mas amplias (Salvo cera perdida y coquilla)

◦ Peor aspecto y calidad superficial (Salvo Yeso, cera perdida y coquilla)

• Produccion:

◦ Poca flexibilidad en la fabricacion (Salvo arena)

◦ Equipos costosos y utillaje de preparacion engorrosa (segun proceso)

7.1. Proceso General de Fundicion

1. Se parte de las especificaciones de la pieza (geometrıa y material)

2. Se define el plano de desmoldeo

3. Diseno y Fabricacion del Modelo y Cajas de Machos (o Cajas de Noyos)

4. Fabricacion del Molde de los Machos o Noyos (Modelo hueco de geometrıa similaral componente a obtener)

5. Fusion de metal o aleacion. (contemporaneo a los 2 procesos previos)

6. Colada: Vertido del material en estado lıquido dentro del molde.

7. Enfriamiento y Desmoldeo de la pieza: Extraccion de pieza del molde por roturadel mismo (habitualmente).

8. Operaciones de acabado: Eliminacion de conductos (bebederos, mazarotas,..) lim-pieza superficial (granallado).

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9. Control de la Calidad:Tanto de dimensiones como de materiales (Si no concuerdacon la calidad establecida, se debera revisar el proceso)

10. Otras operaciones posteriores del proceso general: Deformacion plastica, mecani-zado, tratamientos termicos, etc.

7.2. Materiales Empleados

Para que un material sea apto para fundicion, debe ser facil de fundir, tener Co-labilidad, y una baja contraccion/dilatacion y siendo importante pero de manera massecundaria, su maquinabilidad, estabilidad quımica y facilidad para desprenderse delmolde. Los materiales empleados en procesos de fundicion son:

Aleaciones ferreas:

• Fundiciones (material)

◦ Ordinarias

� Blancas (Todo el carbono es cementita)

� Grises:OrdinariasFerrıticasPerlıticas

� Atruchadas (Entre gris y blanca)

� Aleadas

◦ Especiales:

� MaleablesCorazon blancoCorazon negroPerlıticas

� Nodulares

• Aceros

Aleaciones no ferreas:

• Aleaciones de Cobre

◦ Bronces (Cu-Sn)

◦ Bronces al Aluminio

◦ Latones (Cu-Zn u otros)

• Aleaciones Ligeras

◦ de Aluminio

◦ de Magnesio

◦ de Zinc

• Aleaciones Antifriccion

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7.3. Diseno Dimensional de Modelos

A la hora de disenar un modelo (la pieza que es parecida), se deben tener en cuentaaspectos como las contracciones del material, las creces para el mecanizado, favorecer eldesmoldeo, posibles deformaciones durante enfriamiento, consideracion o no de detalles.Por ello los modelos tienen:

Dimensiones mayores que la pieza: para compensar contracciones (recogidos enNormas) que dependen del tamano velocidad de enfriamiento, mateial del molde,etc.

Creces para el mecanizado: Necesarias en aquellas superficies que requieran unproceso adicional de mecanizado.

Facilidad de Desmoldeo:Tiene que ser posible la extraccion del molde sin causardesperfectos en el mismo. (suelen ser con salida positiva [izq], pocas veces sin salida[medio] y solo cuando el molde es flexible o esta dividido es a contrasalida [der.])

Consideraciones para evitar problemas por el enfriamiento (En las zonas con mayorSuperficieVolumen se produce un mayor enfriamiento)

Reproduccion de aquellos detalles que el proceso pueda reproducir.

7.4. Sistema de distribucion, alimentacion y control termico

Los objetivos de estos sistemas son: Tiempos de llenado optimos (sin solificacionprematura y con mınima turbulencia), controlados y uniformes (para todas las coladas);Alimentacion limpia de impurezas con posibilidad de aporte adicional y que garanticenuna solidificacion controlada y direccion—’al. Un esquema tıpico de estos sistemas es :

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1. Cono de colada o cavidad de vertido

2. Filtros

3. Bebedero

4. Pozo en la base del bebedero

5. Canal de colada o de distribucion

6. Ataques o entradas

7. Vientos

8. Respiraderos, mazarotas

9. Enfriadores o templaderas

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7.5. Clasificacion general de Procesos de moldeo

Moldeo en ArenaMoldeo en Cascara

Modelo Recuperable Moldeo al CO2

Moldeo en CementoMolde Desechable Moldeo en Yeso

Moldeo en Ceramica (Proc. SHAW o UNICAST)

Modelo Desechable Moldeo a la Cera perdidaMoldeo al Molde lleno

Molde Permanente En Coquilla Colada por gravedadEn Matriz Colada a Presion o Inyectada

Fundicion CentrıfugaFundicion Semicentrıfuga

Colada Centrifugada

7.6. Moldeo en Arena

El Moldeo en arena [Video: Moldeo en Arena] Para la obtencion de los moldes seemplean arenas de moldeo , basicamente mezclas de sılice y arcilla , con la ayuda delmodelo previamente obtenido. El proceso de construccion del molde comienza con lacolocacion del medio modelo y la caja de moldeo sobre un tablero de moldeo juntocon desmoldeante. Posteriormente se aplica desmoldeante de nuevo y se aplica arenade moldeo (mas fina para captar mejor detalles) y se completa con arena de relleno,compactando para enrasar la caja de moldeo pinchando la arena para generar vientos.Tras esto se le da la vuelta al conjunto, se aplica de nuevo desmoldeantes y se repite elproceso con el otro medio modelo anadiendo los elementos del sistema de alimentacion(bebederos, mazarotas,...). Por ultimo se extrae el modelo, se introducen los machosy se cierran ambas partes. Durante la colada, se aplicaran ciertos utiles pesados paracompensar la presion metalostatica.El tipo de arena utilizado durante el proceso es muy importante. Existen dos tipos:

Verde: Arenas con arcilla con alto porcentaje de humedad (Enfriamiento mas rapi-do)

Secas: El molde se seca antes de utilizarlo para aumentar su cohesion y permeabi-lidad.

7.6.1. Caracterısticas del Moldeo en Arena

Ventajas

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• Amplia Variedad de tamanos

• Geometrıas de complejidad media

• Valido para cualquier aleacion corriente

• Piezas sin tensiones residuales 3

• Economico y Flexible para series cortas o prototipos

Inconvenientes

• Tolerancias dimensionales Amplias

• Aspecto y calidad superficial Pobre

• Piezas con resistencia mecanica reducida 3

• Necesidad de mano de obra especializada

• Cadencias de produccion bajas

• Almacenaje de moldes limitado

7.7. Moldeo en Cascara

[ Video Moldeo en Cascara]Se trata de una variante del moldeo en arena, utilizandoarenas preparadas a base de sılice con resinas (fenolicas habitualmente) que curan conel contacto del modelo (habitualmente de metal y caliente). El proceso de obtencion delmolde comienza aplicando desmoldeante al modelo caliente (180-300oC) y se depositala arena con la resina sin curar. En funcion del tiempo y la temperatura se formarauna cascara de 6mm a 10mm de espesor. Cuando se ha generado la cascara, se procedea voltear el conjunto, para recuperar la arena intacta del proceso. Se repite el procesocon el otro medio molde generandose dos cascaras que al unirse forman el molde. Losbebederos y otros sitemas de alimentacion, suelen situarse en el plano de desmoldeo.

3La arena es poco conductora termica , producira un enfriamiento lento y estructuras de grano gruesocon poca resistencia mecanica pero requiere menores conductos

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7.7.1. Caracterısticas del Moldeo en Cascara

Ventajas

• Mayor precision dimensional

• Disminucion de defectos superficiales

• Limpieza de superficies mınima o inecesaria

• Baja capacidad calorıfica de la cascara (enfriamiento lento, menores conductosde alimentacion y distribucion)

• Aplicable a todo tipo de aleaciones

• Permite alto grado de automatizacion (Mano de obra menos cualificada)

• Menor porcentaje de rechazos por piezas defectuosas

• Elevada cadencia de produccion

• Moldes estables (puede almacenarse)

• Moldes y machos mas ligeros y manipulables

Inconvenientes

• Tamano de las piezas limitado (pesos menores a 50Kg)

• Caracterısticas mecanicas pobres en las piezas

• Necesidades de modelos metalicos

• Solo economico en fabricacion de series elevadas

• Arenas menos economicas (pero parcialmente recuperables)

7.8. Moldeo a la Cera Perdida

El Moldeo a la Cera Perdida [Video Moldeo a la Cera Perdida] comienza con el Disenodel modelo patron, con el cual se formara un molde patron para la futura creacion demodelos de cera (este proceso solo se realiza una vez). En este molde patron se inyectacera para generar el modelo. Se producen varios modelos de cera que seran unidos enun “racimo” (unidos por un bebedero colectivo). El racimo se recubre por inmersion opulverizacion de un material de molde (ceramico habitualmente) Se funde y extrae lacera (100-120oC) previo al curado del molde (1000oC). Posteriormente se procede a lacolada y finalmente tras el enfriamiento, se desmoldea y se procede al acabado. Estetipo de moldeo es habitual para series de piezas pequenas de geometrıa complicada y sinexigencias estructurales 8

8Nota del autor: Recomiendo ver el video, es del programa ası se hace

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7.9. Moldeo en Coquilla

El modeo en coquilla [ Video Moldeo en Coquilla ] utiliza moldes metalicos recupera-bles y se emplea para series muy grandes, dado que el proceso realiza un ciclo repetitivocon el mismo molde y machos. El molde se denomina coquilla y esta basicamente for-mado por dos placas con elementos de maniobra.El proceso comienza con la limpieza del molde, luego se recubre con un recubrimientorefractario y desmoldeante, se colocan los machos y se cierra. Una vez cerrado, se procedea la colada y solidificacion y por ultimo el desmoldeo.

7.9.1. Caracterısticas del Moldeo en Coquilla

Ventajas

• Muy buena precision y repetibilidad dimensional

• Buen acabado superficial

• Limpieza de superficies mınima o inecesaria

• Estructuras de grano fino (buenas caracterısticas mecanicas

• Una vez puesto a punto el proceso, se obtiene menor n’umero de defectos quecon otros procesos de moldeo

• Cadencias de produccion elevadas

• Facil insercion de postizos metalicos

Inconvenientes

• Tamano de las piezas limitado (pesos menores a 150Kg)

• Debido a la alta velocidad de enfriamiento, se debe recurrir normalmente atratamientos termicos que alivien tensiones

• Solo economico en fabricacion de series muy grandes

• No adecuado para aleaciones ferreas

• Las mejores prestaciones se obtienen en piezas de geometrıa simple

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8. Sinterizacion

La sinterizacion [ Video: Sinterizacion ] consiste en la obtencion de piezas medianteel moldeo de materiales en estado de polvo. Cuando el material es metalico se consideraPluvimetalurgia (PVM). Este proceso permite obtener componentes porosos de menorpeso especıfico, e incluso materiales de difıcil procesado por otros metodos.Para la obtencion de piezas sinterizadas se distinguen los siguientes pasos:

1. Obtencion de Polvos

(Desgasifciacion si fuera necesaria)

2. Consolidacion para obtener la preforma

3. Sinterizado (Microsoldaduras por difusion)[Puede ser fusionado con el anterior de-nominandose compresion en caliente o sinterizacion por presion)

4. Calibrado (Mejora de la precision de la superficie por deformacion plastica)

8.1. Obtencion de Polvos

Los metodos empleados pueden ser clasificados de la siguiente manera:

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Proceso Tipo Materiales Caracterısticas

Mecanicos

Molinos Bolas

Rodillos

Martillo

Hametag

Materialesfragiles

Aleacionesmecanicas

Bajo rendimiento

Etapa final

Procesos de so-lidificacion rapi-da

Fe, Sn, Pb, Zn,Cd, Bronce, Al

Disminuye la segregaciony el tamano de las fasesintermetalicas

Grano fijo

Retencion de aleantes

Formacion de nuevosprecipitados

Fısico-quımicos

Reduccion deOxidos W, Mo Polvo muy fino

Electrolisis Fe, Sn, Ob, Cu,Ni, Co, Ag

Gran pureza

Molido Posterior

DescomposicionTermica decarbonilos

Zn, Fe, Ni Gran pureza y finura

Condensacion Mg,Zn,Cd Polvo muy fino y esferico

Corrosion inter-granular

Aceros inoxida-bles

Tamano de grano muyfino

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8.1.1. Procesos Mecanicos

En los procesos mecanicos nos encontramos el Molido y el proceso de enfriamientorapido.El Molido emplea maquinas llamadas Molinos para ir reduciendo el tamano de laspartıculas del material mediante trituracion. Normalmente su uso se limita a materialesfragiles dado que los ductiles se aglutinan. Los molinos suelen utilizar rodillos, bolas omartillos para la trituracion. Destaca el Molino de Hametag, que utiliza dos chorros deaire que chocan entre sı y arrastran trozos de material que al impactar reducen su tamanopor lo que el campo de aplicacion de este tipo de molino no depende de la dureza delas bolas, rodillo o martillo (limitacion existente en molinos convencionales). El MolidoPresenta un rendimiento bajo, suele ser un complemento final para otros procesos.Los Procesos de enfriamiento rapido consisten en la solidificacion de material (nor-malmente en estado lıquido) que es enfriado a gran velocidad y dispersado en pequenasgotas de diferente tamano y geometrıa por la accion de un chorro de agua, gas o sistemamecanico. Tipos de procesos:

Atomizacion por gas: El metal se pulveriza mediante la accion de chorros de gas. EnAl y aleaciones suele ser Argon (El uso de Helio es posible pero es mas peligroso)

Atomizacion por agua: Analogo al anterior pero empleando chorros de agua

Electrodo rotatorio: se toma una barra de metal que gira a alta velocidad a la vezque se genera un arco con un electrodo no consumible de wolframio.

Velocidad de solidificacion rapida: El metal fundido se vierte sobre una copa o discorotatorio produciendose su dispersion por accion de la fuerza centrıfuga. Antes decaer se hace incidir una corriente de gas frıo que solidifica las gotas antes de caer.

Copa giratoria rapida: como el anterior pero con la copa llena de lıquido refrigerante

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8.1.2. Procedimientos Fısico-Quımicos

Los procesis fısico-quımicos son solo aplicables a ciertos metales y en general resultanmas costosos, pero tambien pueden generar una mayor pureza y finura del grano en polvo.

Reduccion de Oxidos: Se utiliza cuando el oxido es mas fragil que el metal. Semuele el oxido y se reduce calentando en atmosfera reductora (Uso casi exclusivode W y Mo)

Electrolisis: Se pretende obtener un deposito poroso del material, mediante unaelectrolisis en la que se utilizan altas densidades de corriente, se calienta el banoelectrolıtico y se anaden elementos para formar soluciones coloidales. Una vez ob-tenido el deposito poroso, se muele con procedimientos mecanicos.

Descomposicion Termica: Se obtiene el metal con el radical carbonilo CO ha-ciendo pasar una corriente de CO sobre un metal poroso a temperatura y presionadecuadas. Al descomponerse el carbonilo se produce un polvo de gran finura ypureza (es un proceso caro utilizado para la fabricacion de imanes).

Condensacion: El metal se calienta hasta la fase de vapor y a continuacion secondensa. (Obviamente solo resulta rentable si la temperatura de ebullicion delmetal es baja y el oxido que forma no permite el reagrupamiento de los granos).Uso casi exclusivamente para el Zn

Corrosion intergranular: Se utiliza principalmente para aceros inoxidables 610Cr y 16-20 Ni o austenıticos 18-8. Controlando el tamano de grano durante lafabricacion, se eleva el procentaje de carbono de forma intencionada, para que seproduzca una alta precipitacion intergranular mediante un recocido y eliminar elcarburo precipitado mediante ataque con reactivos apropiados.

8.2. Desgasificacion

Este paso es imprescindible para la fabricacion de piezas sinterizadas de aluminio,dado que los polvos de aleaciones de Al tienen tendencia a absorber agua, y durante elproceso de sinterizado, genera hidrogeno produciendose problemas de porosidad y riesgode explosion. Existen dos tecnicas principales de desgasificacion:

Can Vacuum Degasing La tecnica mas utilizada. Se aumenta la densidad delpolvo comprimiendo isostaticamente en frıo, hasta una densidad del 15-80 %. Ladensificacion no debe ser excesiva o habra problemas para evacuar el gas. Posterior-mente se encapsula el polvo prensado, se suelda una tapa con el tubo de evacuaciona la lata y se calienta en vacıo hasta que se desgasifique (la temperatura final dedesgasificacion debera tener en cuenta el posible crecimiento de grano)

Desgasificacion depurativa: Una vez desgasificado en vacıo el polvo es barridopor un gas depurativo (N2 extraseco). Despues de varios barridos el contenido enagua e hidrogeno es menor.

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8.3. Consolidacion

La consolidcacion consiste en la compresion en frıo de los polvos metalicos para queentre los granos aparezcan ligaduras superficiales como si fueran pequenas soldadurasen frıo. La compactacion se realiza normalmente en matrices de acero templado o decarburos metalicos mediante el empleo de presnas hidraulicas. Tambien puede realizarsemediante rodillos de laminacion con lo que se consigue una compactacion contınua delos polvos. (este ultimo caso es el utilizado para cojinetes antifriccion de automocion)Las presiones tıpicas se situan en el rango de 2 a 6 Tn/cm2.La densidad aparente de la preforma tiende a parecerse a la del metal (rondando el 90 %en materiales ductiles y menores al 70 % en materiales fragiles).La compresion se deja sentir de forma mas importante en zonas proximas a la matriz,para evitar este problema, se suele utilizar la Compresion Isostatica en Frıo (ColdIsostatic Pressure CIP) que consiste en aplicar alta presion a temperatura ambiente atraves de un metodo fluido (agua o aceite) con valores de 210-410 MPa obteniendosedensidades aparentes del 60-80 % de la real. De este metodo existen dos tecnicas:

“Bolsa Seca”: Molde elastomerico es reutilizable y esta fijo al deposito de presion(series y formas pequenas , sencillas)

“Bolsa Humeda”: Molde elastomerico se saca de la vasija de presion. (series pe-quenas o medias y piezas grandes)

8.4. Sinterizado

La Sinterizacion es la dase final del proceso y consiste en calentar las preformaspreviamente consolidadas para que las pequenas soldaduras en frıo en el contacto inter-granular se propaguen por difusion. Existen dos tipos principales de sinterizacion: SinPresion y Son Presion.

8.4.1. Sinterizado Sin Presion

La preforma compactada obtenida en la fase anterior de compactacion se calientahasta conseguir la soldadura de la masa. La temperatura debe controlarse para que seasuficientemente alta como para que los granos puedan combinarse entre sı pero sin llegara la fusion del metal. (el tiempo de permanencia tambien es vital en este proceso) Engeneral la temperatura de sinterizacion sera del orden de 2

3 a 34 de la temperatura de

fusion del metal y los tiempos comprendidos entre 15 minutos y 2 horas.El sinterizado de una pieza se complica cuando los polvos no son de un unico material yestos tienen temperaturas de fusion muy distintas. En estos casos se suele sobrepasar latemperatura de fusion mas baja pero nunca mas de un 30 % ya que en caso contrario sepodrıan producir deformaciones. (Se ha de tener en cuenta que una mayor permanenciaa altas temperaturas, producira un indeseable crecimiento de grano).Los hornos de sinterizado son del tipo continuo, solo para calentamiento, y por lo general,suelen trabajar con atmosferas controladas (reductoras), para evitar o limpiar de oxido

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los bordes de los granos. (El agente reductor suele ser hidrogeno, aunque su utilizacionresulta peligrosa). El horno sigue un ciclo de calentamiento-enfriamiento en el interiordel horno segun la zona del mismo. Inicialmente se eleva la temperatura hasta la desinterizacion, a continuacion se mantiene durante el tiempo establecido y por ultimo sereduce la temperatura. (si el material no depende de la atmosfera se puede realizar unhorno con alimentacion contınua que proporcione una produccion en serie.

8.4.2. Sinterizado Con Presion

Tambien denominado consolidacion en caliente, se emplea cuando se precisa obtenerproductos muy compactos. En algunos casos puede obviarse la falta de compactacion enfrıo de los polvos. Existen vrios procedimientos:

Forja en Caliente: Deformacion plastica de una preforma consolidada y sinteri-zada en al menos dos direcciones con temperaturas superiores a la de cristalizaciondel material.

Compactacion en Caliente con Vacıo: Se emplea debido a la facilidad decontaminacion de los polvos con el O2 y N2 en la compactacion en caliente (Esideal para la compactacion de polvos de Berilio y Titanio). El vacıo generado esbajar la presion hasta 1 o 2 mmHg.

Extrusion: Existen varios metodos segun encapsulen o no los polvos. Destaca latecnica del “lingote relleno” (Filled Billet) con la que pueden conseguirse reduc-ciones de 25:1 y produci piezas de geometrıas complicadas. (La ventaja de estemetodo es que los hornos y prensas de extrusion convencionales son validas parala sinterizacion)

Compresion Isostatica en caliente (HIP): Consiste en aplicar presion isostati-ca a los polvos a traves de un medio gaseoso y a elevada temperatura. Los polvosse encapsulan en una lata que posee el tubo de salida de aire para desgasificaren caliente. Acontinuacion se cierra el tubo y se intrduce en la prensa isostaticaa alta temperatura. (las presiones son del orden de 100MPa durante 2-4 horascon diversos ciclos indicados en la figuraal igual que la temperatura, la cual varıadependeiendo del material)

43

8.5. Operaciones de Acabado

Las operaciones de acabado en piezas sinterizadas pueden ser tales como tratamien-tos termicos, limpieza, tratamientos superficiales, mecanizados o union de partes, igualque en piezas conformadas por otros procedimientos, aunque teniendo consideracionesespeciales por la orosidad de estas piezas. (Por ejemplo en cojinetes antifriccion se debeevitar la absorcion de lıquidos tales como sales de fusion o lıquidos para mecanizado)

8.6. Aplicaciones

Las principales aplicaciones de la sinterizacion son para:

Piezas difıciles de moldear mediante otros metodos (Por ejemplo Widia, placas deCarburo de Wolframio, Titanio, Vanadio y Cobalto como aglutinante

Productos porosos de aplicaciones en filtros o cojinetes de friccion

Produccion de grandes series (Engranajes)

Obtencion de aleaciones que no pueden conseguirse por metalurgia convencional

Y en concreto en la industria aeronautica:

Filtros de aceite (Br, Acero InOx, Ni)

Componentes estructurales (Al, Be, Ti, Fe, Li)

Blindajes Termicos (Ti, Superaleaciones)

Blindajes Magneticos (Al, Ni, Co)

Medidores de Deriva (Al)

Combustibles Solidos para cohetes (Al)

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9. Procesos de Deformacion Plastica

Los Procesos de Conformado mediante Deformacion Plastica (PCDP) son metodosde obtencion de componentes mecanicos sin eliminacion de materia, que aprovechan elcomportamiento plastico de los materiales cambiando la geometrıa del material median-te la aplicacion de fuerzas exteras suficientes o por la transmision de energıa mecanicamediante impactos.El principal motivo que hace destacar a los PCDP es la obtencion de piezas con mejorescaracterısticas mecanicas que las obtenidas con otros procesos. Los PCDPs son:

Laminacion

Extrusion

Estirado

Forja

Conformado de chapa metalica

Remachado

Repulsado

Conformado Superplastico / Solda-dura por difusion

Etc.

Con este tipo de conformado, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones termi-cas y estructurales.Es posible conseguir estados plasticos en los materiales metalicos deforma que puedan conformarse mediante la accion de fuerzas o presiones exteriores ra-zonables, situandose la temperatura dentro de la cual se consigue este comportamientoentre la temperatura de recristalizacion (la menor temperatura a la que un materialenun estado de deformacion modifica su microestructura granular) y la de fusion. Elanalisis de los PCDPs comienza por “la Teorıa de Plasticidad”. Aunque se poseen meto-dos numericos basados en la teorıa de la plasticidad, los metodos analıticos sencillospueden proporcionar de forma rapida y comoda ordenes de magnitud de los parametrosbuscados.

9.1. Comportamiento Plastico de los Materiales

Previamente a la descripcion de los metodos de analisis PCDP, conviene hacer uninciso sobre las definiciones de tension y los comportamientos plasticos de los materiales.Las deformaciones producidas en un material (por ejemplo en un ensayo de traccion)seran dε = dl

l . Dado que en estos procesos, se buscan grandes deformaciones, convieneexpresar la deformacion como:

ε =

∫ lf

l0

dl

l︸︷︷︸dε

= lnlfl0

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Si aplicaramos una fuerza al material se observa que se genera una deformacion. Sila fuerza es pequena el material tendra un comportamiento elastico (y lineal en mayor omenor medida) y recuperara sus dimensiones iniciales. Sin embargo, superado un ciertonivel de tension el material no recupera su dimension original, quedando una deformacionplastica. En el caso de volver a aplicar carga menor o igual a la que consiguio deformarlo,el material tendra un comportamiento elastico. A este fenomeno se le conoce comoendurecimiento por deformacion. La tension umbral para la cual se obtiene la primeradeformacion plastica se donomina ‘tension de fluencia’. Para estados de carga nouniaxiales, hay que conocer una funcion de los esfuerzos, que determine un criterio defluencia del material. En un caso real, este criterio requerirıa datos de temperatura,velocidad de deformacion, tiempo, etc. pero es una buena aproximacion como hipotesissimplificativa.Los criterios mas generalizados son (en funcion de las tensiones principales σ1 ≥ σ2 ≥ σ3):

Tresca: σ1 − σ3 = σf

Von Mises:√

12 [(σ1 − σ2)2 + (σ1 − σ3)2 + (σ2 − σ3)2] = σf

Cuando se considera una situacion de deformacion plana σ2 = σ1+σ22 , el criterio de Von

Mises otorga:

σ1 − σ3 =2√3σf = S

Ligeramente distinto al de Tresca. Para materiales ductiles se suele escoger el de VonMises, por adaptarse mejor a las determinaciones experimentales realizadas sobre ellos.(Y por ello se utilizara esta en los siguientes apartados). La interpretacion anteriror delcriterio de fluencia da lugar al concepto de tension equivalente, que utilizando el criteriode Von Mises, se define como:

σ =

√1

2

[(σx − σy)2 + (σx − σz)2 + (σy − σz)2 + 6(τ2

xy + τ2xz + τ2

yz)]

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Y de forma analoga, se puede definir un incremento de deformacion equivalente:

dε =2√3

√[(dεpx − dεpy)2 + (dεpx − dεpz)2 + (dεpy − dεpz)2 +

3

2(dγpxy

2+ dγpxz

2+ dγpyz

2)

]Con estos valores es posible comparar cualquier estado de tension con el diagrama ob-tenido en el ensayo uniaxial.Por ultimo, se considera el endurecimiento por deformacion como:

σf = H(ε)

Donde ε =∫dε. Tambien cabe a mencionar los distintos comportamientos que puede

tener un material siendo sus graficas de σ vs ε en cada caso:

9.2. Deformacion Homogenea

La energıa invertida en un proceso de deformacion plastica puede subdividirse entres tipos:

W =

Homogenea︷︸︸︷Wh + Wr︸︷︷︸

Rozamiento

+

Distorsion Interna︷︸︸︷Wdi

Siendo en el caso simplificado de estudio, Wr = Wdi = 0 y se considera que :

Wh =

∫ lf

li

σdε

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Como ejemplo se considera un proceso de forja libre entre estampas planas (con lasconsideraciones previas):

Se prescinde de la profundidad definiendo

b =b0h0

h

trabajando en unidades de profundidad. Por otro lado la tension necesaria para comenzarla deformacion sera la deducida con deformacion plana y el criterio de Von Mises

σ1 − σ3 =2√3σf = S

donde σ1 = 0 y σ3 es la tension normal aplicada sobre las estampas. La fuerza por unidadde profundidad sera por tanto:

F (h) = Sb0h0

h

Y la energıa de deformacion necesaria para alcanzar la altura hf sera por tanto:

W =

∫ hf

h0

F (h)dh =

∫ hf

h0

S(h)b0h0

hdh→ Sb0h0 ln

hfh0

= b0h0Sε︸ ︷︷ ︸Rigido-plastico perfecto con S constante

9.3. Analisis Local de Tensiones

Mediante el analisis en el supuesto caso de deformacion homegenea unicamente, noresulta posible el calculo de fuerzas que consideren los efectps del rozamiento. Paratener en cuenta estos efectos disipativos se modelizan segun dos hipotesis las fuerzas derozamiento:

Coulomb: FRoz = µq donde q es el modulo de la fuerza normal (esta hipotesis esaplicable cuando las fuerzas normales no son muy grandes)

Semiadherencia: σRoz = mK donde m es el factor de rozamiento y K es la Tensionde fluencia a cortadura del material.

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Para el analisis local de tensiones se sigue manteniendo la hipotesis de deformacionhomogenea a pesar de que la presencia del rozamiento haga menos adecuada su conside-racion. Con esta hipotesis ( y dado que el rozamiento sera pequeno, utilizando el modelode Coulomb)se obtiene:

El proceso a seguir para el estudio es el calculo de la distribucion de presiones q(x)sobre las estampas y a partir de ella el esfuerzo total que se ejerce.Considerando el equilibrio de fuerzas sobre el elemento diferencial de espesor dx, setiene:

(σx + dσx)h− σxh− 2µq(x)dx = 0→ dσx =2µ

hq(x)dx

Si al material le aplicamos el criterio de plastificacion:

σ1 − σ3 = S → dσx − (−q(x)) = S

Y diferenciando la ecuacion:dσx = −dq(x)

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que al sustituir en la ecuacion de equilibrio anterior:

dq(x)

q(x)= −2µ

hdx

cuya integral inmediata es:

ln q = −2µ

hx+ cte.

Las condiciones que permiten determinar el valor de esa constante son para x = b2 ,

σx = 0 y por tanto q = S Por ello el valor de esa constante es

cte. = lnS +µb

h

Y finalmente:q(x)

S= e

2µh ( b2−x)

La division por S tiene como objetivo adimensionalizar el resultado, haciendole indepen-diente del material. (Siendo S = 2√

3σf . La forma de variacion de q(x) sobre la matriz

es:

La carga total sobre cada una de las estampas puede calcularse por integracion sobrela superficie de contacto.

F = 2S

∫ b2

0e

2µh ( b2−x)dx→ F = S

h

µ

(eµbh − 1

)Cuando el rozamiento es pequeno, como lo es en este caso bajo la hipotesis conside-

rada, la funcion exponencial puede sustituirse por sus primeros terminos de su desarrolloen serie, quedando la fuerza por unidad de profundidad:

F = Sb

(1 +

µb

2h

)

50

Y se deduce que el trabajo mecanico W =∫ hfh0F (h)dh = S

∫ hfh0b(

1 + µb2h

)dh conside-

rando la invariabilidad de volumen b = b0h0h

W = Sb0h0

∫ hf

h0

1

h

[1 +

µb0h0

2h2

]dh = Sb0h0 ln

hfh0

+ Sµb20h

20

4

[1

h20

− 1

h2f

]

Siendo el segundo sumando el que recoge la energıa de rozamiento.

9.4. Analisis mediante campos de lıneas de deslizamiento

En aquellas situaciones en que sea posible considerar la hipotesis de deformacionplana para el proceso, se puede emplear para su analisis el metodoo denominado campode lıneas de deslizamiento.El fundamento teorico del metodo reside en la suposicion de que la deformacion delmateriral se produce por discontinuidades segun lıneas de maxima tension cortante. Estaslıneas, tangentes en cada punto a una direccion de tension cortante maxima, forman dosfamilias de curvas ortogonales entre sı y en plasticidad se las conoce como lıneas dedeslizamiento Cada una de estas familias se denotan por α y β respectivamente. Paraidentificar de que tipo de lınea se trata se aceota como criterio que al girar en sentidopositivo (antihorario) desde una lınea α a una lınea β se encuentra entre ambas ladireccion de la mayor tension principal algebraica (σ1).

Para la situacion de deformacion plana, se pueden expresar las tensiones en un puntoy para una direccion determinada, deducidas a partir del cırculo de Mohr correspondien-te, en funcion de la presion hidrostatica P (notese que P es la distancia al centro delcırculo de Mohr), de la tension de fluencia a cortadura del material K y del angulo Φque es necesario girar para alcanzar una lınea de tension cortante maxima. Si estas ex-presiones se introducen en las ecuaciones de equilibrio interno para deformacion plana yse integran considerando los ejes coincidentes con una lınea α o una lınea β se obtienen

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las correspondientes “ecuaciones de Hencky” para cada una de ellas.

∆P − 2K∆Φ = Cα → sobre una lınea α

∆P + 2K∆Φ = Cβ → sobre una lınea β

Y en el caso de borde libre, las constantes Cα = Cβ = 0

En el ejemplo propuesto:

PM − PN = 2K(ΦM − ΦN ) = 0

Y dado que la presion ejercida por la estampa es

q = σ3 = −2K

Como indica el circulo de Mohr, en cuyo extremo libre σ1 = 0 (Radio del cırculo deMohr = K) Obteniendose el mismo resultado que en el analisis sin rozamiento mediantedeformacion homogenea. Esto puede comprobarse al considerar el criterio de Von Misesen un ensayo de cortadura pura donde:

K =1√3

Siendo por tanto 2K = S. El calculo de fuerza y energıa serıa analogo a metodos ante-riores.Si se considerase el rozamiento en este metodo, es necesario modificar el campo de lıneasde deslizamiento de forma que verifique las condiciones de contorno. En este caso laslıneas no incidiran con un angulo de π

4 sobre la superficie, sino con un angulo en funcionde dicho rozamiento. En el caso de rozamiento de tipo Coulomb:

τxy = µq = K cos 2Φ→ cos 2Φ =µq

K

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Y en el caso de tipo Semiadherencia:

τxy = Km = K cos 2Φ→ cos 2Φ = m

En este caso se observa que no es necesaria la hipotesis del rozamiento debil por lo quese amplia el campo de aplicacion de este metodo.

9.5. Analisis Lımite

El analisis lımite se basa en expresiones deducidas a partir de la teorıa de plasticidad,que acotan superior e inferiormente la energıa necesaria para la deformacion. En generalse puede considerar de mayor interes la acotacion superior desde un punto de vistapractico de dimensionado de maquinas y equipos.Si se considera un campo de velocidades de desplazamiento cualquiera, que verifiquelas ecuaciones de compatibilidad y sea cinematicamente admisible (debe cumplir lascondiciones de contorno de en velocidad y mantener la invariabilidad volumetrica) sepuede llegar a la expresion del Teorema del lımite superior:∫

SV

TiVids ≤∫V ol

σ∗ij ε∗ijdvol +

∫SS

K|VS |∗ds−∫ST

TiV∗i ds

El significado de la ecuacion se puede expresar diciendo que: Para todo campo de velo-cidades cinematicamente admisible, la potencia desarrollada por las tensiones asociadasen el volumen y en las discontinuidades de velocidad, menos la potencia desarrolladapor las fuerzas conocidas sobre el contrno de tensiones, es mayor o igual que la potenciadesarrollada por las fuerzas desconocidas sobre el contorno de velocidades conocidas.La aplicacion mas fundamental se lleva a cabo sobre el “Teorema de bloques rıgidos”.Por ejemplo, definiendo el siguiente problema:

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Donde se debera cumplir:

F · V1 ≤ K∑ij

Aij · Vij = KA12 · V12

Donde A12 = h0sinφ y V12 = V1

cosφ , por lo tanto:

F · V1 ≤ K · V1 ·h0

senφ cosφ= S︸︷︷︸

K/2

·V1 ·h0

sen 2φ

En el caso del modelo con rozamiento de Semiadherencia:

F · V1 ≤ K∑ij

Aij +mK∑iroz

VirozAiroz

Por ello en el ejemplo antes explicado este ultimo sumando corresponde a:

mK[V1L1 + V1L3 + V2L2 + V2L4] = mK[V1(2L1 + hf ) + V2(2L2 + h0)]

Y si V2 = V1h0hf

se cumplira finalmente que la fuerza teniendo en cuenta el rozamiento:

F ≤ S h0

sen 2φ+mK

[2L1 + hf +

h0

hf(2L2 + h0)

]

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9.6. Procesos

Una vez estudiadas las ecuaciones que rigen el comportamiento plastico, se procedea explicar brevemente algunos procesos.

9.6.1. Laminado

PCDP que obtiene la geometrıa deseada del material mediante la accion de doscilindros que giran en sentidos opuestos, haciendo pasar el material entre ellos. Losobjetivos que se pretenden conseguir con la laminacion son:

Disminuir la seccion y alargar

Mejorar las caracterısticas mecanicas

Conformar la seccion final

Y en una segunda fase de acabado (tıpicamente en frıo), dejar la seccion final dentro delas tolerancias.

Este proceso puede conseguir diversas formas mediante cilindros acanalados:

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9.6.2. Forja

Proceso de conformado sin eliminacion de material, realizado generalmente en ca-liente, que obtiene la geometrıa en el material mediante la aplicacion de fuerzas decompresion, bien contınua o por impactos. Los motivos principales de aplicacion son:

Reducir perdidas de material

Reducir tiempos de mecanizado

Mejorar las caracterısticas mecanicas y metalurgicas del material trabajado.

Las forjas se clasifican seun:

Fuente energetica:

• Manual

• Mecanica

Forma de aplicar fuerza:

• Impacto (Martillo Pilon)

• Continua (Prensa Hidraulica)

Geometrıa del utillaje:

• Libre

• Con Estampa

La forja sigue un ciclo termico que consta de:

• Calentamiento: (se evita elevar la temperatura bruscamente para no producirgrietas longitudinales) Una vez superada la temperatura de recristalizacion,cuanto mas se eleva menor esfuerzo requerira la deformacion del material,pero mayor sera el crecimiento de grano posterior.

• Forja: Donde es importante tanto la manera de aplicar la fuerza (ya sea presioncontinua o por impactos) como la velocidad de deformacion o el tiempo decontacto con las estampas

• Enfriamiento: Dependiendo de las caracterısticas del material deben cuidarselas velocidades de enfriamiento y la aparicion de diferencias importantes detemperatura que suelen ser causa de grietas transversales

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9.6.3. Extrusion

La extrusion consiste en obtener secciones constantes haciendo fluir un material atraves de una matriz. Existen diferentes tipos de extrusion:

En frıo

En caliente

Hidrostatica

Y dentro de cada una de ellas se distinguen otras tres categorıas : Directa [Derecha](cuando la fuerza aplicada es en en el sentido en el que fluye el material), Inversa [Iz-quierda] (cuando la fuerza aplicada es en el sentido contrario al que fluye el material) ySimultanea (cuando fluye en ambos sentidos)

9.6.4. Conformado Superplastico

El conformado superplastico solo se da cuando ocurren las siguientes caracterısticas:

Tamano de grano pequeno (≈ 10 µm )

Alta temperatura (0.5-0.7Tfus

Baja velocidad de deformacion 10−5 − 10−2s−1

Ausencia de sustancias insolubles

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Existe una variente del proceso que primero suelda por difusion dos planchas y luego lasdeforma

10. Resolucion de Problemas

Veo aconsejable dedicarle al menos una seccion a la resolucion de problemas, paratener claras unas pautas a seguir:

10.1. Problemas de Mecanizado

Los problemas de mecanizado no deberıan suponer ningun problema, solo se hande sustituir los valores en las ecuaciones, solo es IMPRESCINDIBLE poner bien lasunidades de cada dato. Formulas:

Torno:

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• Cilindrado: Transformar la pieza en un cilindro

z = Acv = faP v = baCv

v = πND1000

Vf = fN

W = FCv = ksACv

tm = le+l+aP cot kr+lsfN

• Refrentado: Recortar la pieza

z = Acv = faP = baCv

V = πND1000

Vf = fN

W = FCv = ksACv

tm =le+

(Di−Df

2

)+aP cot kr+ls

fN

Taladro:

AC = bacnf = fznfD2 = f D2

z = πD2

4 fN = baCnfv

v = πND1000

Vf = fN

W = FCv = KsACv

tm =le+l+

D2

cot kr+lsfN

Fresado:

• Cilındrico:

z = fNbaP

vf = Nf

W = ksbaP fNv

tm =le+l+2

√aP (D−aP )+lsfN

• Frontal:

z = waP fN

vf = Nf

W = ksz

tm = le+l+D+lsfN

10.2. Problemas de Tolerancias

En la subseccion de Operaciones con cotas (3.3) se explican la resolucion de problemastipo

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10.3. Problemas de Acabado Superficial

Para estos problemas siempre es necesario tener en mente:

El calculo previo de la altura de la lınea media zlm, sin esto el problema estaperdido.

La posibilidad de resolverlo sin uso de integrales (sumando areas graficamente)[solo para Ra]

Definir bien la funcion altura a trozos (a continuacion se mencionan dos ecuacionesde utilidad):

• Ecuacion de la Recta punto-pendiente (conocida la pendiente y un punto(A,B)): y −B = m(x−A)

• Ecuacion de la parabola: Resolver el sistema para a, b, c que otorgan trespuntos de la forma (Ai, Bi): Bi = a(Ai)

2 + bi(Ai)2 + c

La estimacion de la tasa de perfil portante puede resultar engorroso, se deben tenerclaras las siguientes pautas:

• Si hay una linea horizontal en la grafica de rugosidad, habra otra en la tasadel perfil portante (Mucha longitud del perfil pasa a tener esa longitud)

• Rectas en la grafica de rugosidad, generaran rectas en la tasa de perfil por-tante, por lo que si se halla l(z)

lm(el porcentaje para una altura) para dos z

distintas se puede trazar la recta que las une.

10.4. Problemas de Metrologıa

En la seccion de Metrologıa (6) se explica la resolucion de este tipo de problemas.

10.5. Problemas de Conformado por deformacion plastica

Existen dos tipos de problemas principales, aquellos con teorıa de bloques rıgidos oAnalisi mediante campos de lıneas de deslizamiento.

10.5.1. Bloques Rıgidos

En este tipo de problemas hay que tener claro que, al dibujar la hodografa:

Todas las velocidades Vi tendran su origen en el mismo punto.

Las velocidades Vij tendran la misma direccion que las fronteras entre bloques, esdecir si la frontera ij forma un angulo con la velocidad Vi, la velocidad Vij tambienlo formara.

Las velocidades Vij van desde la punta de Vi hasta la punta de Vj

Fuera del dibujo de la hodografa es muy importante recordar que S = 2K y que V1 ·h0 =Vf ·hf donde Vf es la velocidad que atraviesa la seccion final de altura hf por continuidad.

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10.5.2. Lıneas de Campo

En este tipo dr problemas hay que tener claro:

Como identificar las lıneas α y β (en el giro antihorario de α a β encontramos σ1)

Las ecuaciones de Henky para cada tipo de lınea:

∆P − 2K∆Φ = Cα → sobre una lınea α

∆P + 2K∆Φ = Cβ → sobre una lınea β

Que en un borde libre Cα = Cβ = 0 y en el punto del borde libre Pborde libre = K

Es muy importante definir una direccion para el giro de Φ y coger siempre la mismaparte de la lınea (como indica la figura)

Фb

Фa

En caso de rozamiento las lıneas inciden con unangulo distinto a π4 siendo el angulo

de incidencia determinado por:

• Coulomb:τxy = µq = K cos 2Φ→ cos 2Φ =

µq

K

• Semiadherencia:

τxy = Km = K cos 2Φ→ cos 2Φ = m

Y como en el caso anterior, recordar que S = 2K

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