MATERIALES Y - download.e-bookshelf.de€¦ · lección de materiales y técnicas de fabricación,...
Transcript of MATERIALES Y - download.e-bookshelf.de€¦ · lección de materiales y técnicas de fabricación,...
MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN
Vol. 1
Segunda edición
MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN
Vol. 1
Segunda edición
E. P. DeGarmo / J. T. Black / R. A. Kohser
Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · México
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
www.reverte.com
Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o procedi-
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 978-84-291-4823-7 Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9095-3
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 mantenien.do 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 sefialaban 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 pequefias cantidades. Mejoran y aumentan el interés del operario y todo el personal de la compafiía 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 disefio 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 Jos que aún no se utilizan. Así pues, Jos 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 Jos 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 Jos autores. Se señala 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 Jos 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
Índice 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 analltico 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 compañ.ía Yo-Ko 843 26 Los tor_nillos 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 1
MATERIALES
Capítulo 1
Introducción
Materiales, fabricación y nivel de vida. El nivel de vida de toda civilización lo definen, esencialmente, los bienes y servicios al alcance de sus gentes. En la mayoría de los casos, los materiales se utilizan en forma de productos manufacturados. Es tradicional dividir estos productos en dos clases: bienes de consumo y bienes de producción. Los bienes de producción son aquellos que fabrican otras compañías para ser utilizados en la manufactura ya sea de bienes de producción o de bienes de consumo. Los bienes de consumo son los que adquiere directamente el consumidor, o bien el público en general. Por ejemplo, alguien ha de construir el tren de laminación donde obtener las planchas de acero que, luego, se conforman para convertirse en los guardabarros de nuestros automóviles. Análogamente, son numerosas las industrias de servicios que dependen extensamente del uso de productos manufacturados, exactamente del modo en que la industria agrícola depende extensamente del uso de maquinaria agrícola pesada para su buen rendimiento.
Cuanto más eficazmente puedan producirse y transformarse las materias primas en productos manufacturados utilizables, evitando a la vez el despilfarro y alcanzando el fin deseado con la calidad prefijada, tanto mayor será nuestra productividad y mejor nuestro nivel de vida.
Se ha vinculado la historia del hombre con la capacidad de éste para trabajar las materias primas, a partir de la edad de piedra y a través de las edades del cobre y bronce, la del hierro y, hasta hace poco, la del acero, con sus refinados materiales férreos y no férreos. Ahora estamos en la puerta de la edad de los materiales hechos a medida, tales como los compuestos y como se indica en la figura 1-1, donde se detallan las aleaciones que, desde 1945, se han utilizado en la fabricación de las paletas de los compresores de los reactores de aviación. Conforme el material se sofistica más, con mayores resistencias y menores pesos, se hace asimismo de manufactura más difícil con los procedimientos de producción existentes. Las herramientas se desgastan
3
4
90 e '() ·¡; .. 80 "' -¡¡; .. " .. 70 o
8 .. 60 ¡ E K 5o § -5 40 '8 ~ 30 Q.
o
Introducción
Variación de las tendencias en la combinación de aleaciones empleadas para paletas de compresor de motor de reacción
Aleaciones base aluminio
1950 Aceros de baja aleación
1955 1960
Compuestos metálicos superligeros
1970 1980
Año
FIGURA 1-1. Variación de las tendencias en la combinación de aleaciones empleadas para paletas de compresor en motores de reacción. (De E.E. Weismantel, AEG-265·8/68(700), Aircraft Engine Group, General Electric Company.)
con tal rapidez, o son tan excesivamente caras, que deja de ser económica la combinación del material con su proceso de elaboración. Con mucha frecuencia la circunstancia más adversa a la que debe enfrentarse un material durante su vida es a la de su propia transformación.
Aunque ya no dependemos del uso de materias primas sólo en su estado natural, o en formas modificadas, es obvio que existe un límite absoluto a las cantidades que, de numerosos materiales, hay disponibles en la Tierra. Así, mientras prosigue creciendo la variedad de materiales, aquellos recursos debemos emplearlos eficientemente y reciclar al máximo los materiales que se están agotando rápidamente. En la figura 1-2 se muestra la efectividad del reciclado. Por supuesto, éste lo único que hace es retrasar la fecha del agotamiento. Por eso es más importante una tasa de utilización anual de bajo crecimiento. El estaño (So), por ejemplo, crece anualmente el 20Jo y, actualmente, su tasa de reciclado es del 200Jo.
Introducción 5
;f. <ti o oc: .. !il
4 e:
"' o .. " "' " s e:
"' E " .. a; 2 " -¡;¡ :> e: .. .. .. ~
Porcentaje actualmente reciclado
FIGURA 1-2. Efectividad del reciclado. Los números 10, 20, 50 y 100 indican los años que el reciclado retrasa el agotamiento del metal. (De A. Hurlich, Metal Progress, Oct. 1977.)
Al igual que los materiales, los procesos han proliferado extraordinariamente en los últimos 30 añ.os, con la aparición de nuevos procedimientos para elaborar los nuevos materiales con más eficacia y menos desperdicio. Es probable que nuestras mejoras de productividad haya que achacarlas en un 400!o a los adelantos en tecnología de fabricación.
Las materias primas y los medios humanos y materiales son factores correlacionados en todo proceso de fabricación, los cuales deben combinarse correctamente si se desea producir económicamente. Esta importantísima idea se ilustra en la figura l-3. Lo que pueda ser la combinación óptima para un determinado producto, puede no serlo para otro. Puede ocurrir, asimismo, que la combinación óptima para producir cantidades reducidas de un cierto producto rinda escasamente a la hora de producir cantidades mayores del mismo producto. La combinación correcta para un producto puede resultar totalmente incorrecta para otro diferente. En consecuencia, el problema debe enfocarse metodológicamente teniendo en cuenta todos los factores; para lo cual se requiere un conocimiento profundo y amplio de las materias primas y de los procedimientos y medios de fabricación por parte de quienes hayan de tomar las decisiones pertinentes.
6
Cargas Cond. de utiliz. Procesos posibl. y disponibles
Selec. materiales Cantidades
MATERIAL Propiedades Fiabilidad Tratamientos Precio Calidad
PRODUCTO
Maquinaria Efectos sobre los materiales
Configuración Útiles Cantidad Calidad
Introducción
FIGURA 1-3. Correlaciones entre materias primas, proyecto y preparación de la fabri-cación de un producto. ·
Ingeniería y métodos de fabricación. La misión de la mayoría de los ingenieros consiste en proyectar artículos que han de convertirse en realidades a través del tratamiento y manufactura de materias primas. Por este aspecto de su profesión, los ingenieros constituyen un factor vital en el proceso de elección de materias primas y su manufactura. Los ingenieros proyectistas, mejor que cualesquiera otras personas, deben conocer qué condiciones han de cumplir los nuevos diseños, qué hipótesis pueden hacerse en torno a cargas y condiciones de utilización, qué medio ambiental deben soportar y qué aspecto debe presentar el producto final. Al objeto de cumplir tales exigencias, deben elegir y concretar los materiales a utilizar. En la mayoría de los casos, con vistas a aprovechar los materiales y conseguir que el producto tenga la forma deseada, sabrán bien qué proceso(s) de fabricación seguir. Y, en ciertos casos, la
Introducción 7
elección de un material determinado puede imponer cuál es el proceso a seguir. A la vez, cuando se sigue un proceso determinado, puede que haya de modificarse el diseño, al objeto de que pueda utilizarse con eficacia y economía. Ciertas tolerancias dimensionales pueden imponer un proceso determinado y hay procesos que requieren determinadas tolerancias. Cualquiera que sea el caso, en la sucesión de hechos que han de transformar en realidad todo proyecto, alguien debe tomar aquellas decisiones. Estas, casi siempre, podrán tomarlas con mucha más utilidad los propios proyectistas durante la fase de proyecto, con tal que posean los conocimientos suficientes y adecuados respecto a materias primas y procesos de fabricación. De no ser así, podrían tomarse decisiones en perjuicio de la calidad del producto, o resultar éste innecesariamente costoso. Es, pues, manifiesto que todo ingeniero proyectista es un elemento trascendental en cualquier proceso de fabricación, y desde luego un gran beneficio para su empresa si puede proyectar con vistas a la productividad, es decir, a una producción económica.
Los ingenieros de fabricación seleccionan y coordinan los procesos y maquinaria específicos a utilizar, o bien supervisan y coordinan su empleo. Otros diseñan útiles especiales que posibilitan el empleo de máquinas normales en la fabricación de productos determinados. Tales ingenieros deben conocer extensamente las posibilidades de máquinas, procesos y materias primas, de tal modo que puedan efectuarse, con eficacia y rendimiento, las operaciones propuestas sin recargar ni perjudicar las máquinas y sin afectar negativamente a los materiales objeto del proceso. Estos ingenieros, llamados de fabricación, juegan, asimismo, un papel muy importante en las actividades de fabricación.
Un grupo de ingenieros relativamente reducido proyecta las máquinas y demás elementos que se emplean en el proceso. Se trata, evidentemente, de ingenieros proyectistas, los cuales, en lo que a sus productos concierne, tienen las mismas responsabilidades a la hora de correlacionar el proyecto con las materias primas y los procesos de fabricación. No obstante, su responsabilidad es aún mayor respecto a las propiedades de los materiales que van a elaborar sus máquinas y a las interacciones entre aquéllos y éstas.
Queda otro grupo de ingenieros, los ingenieros de materiales, que dedican lo principal de sus esfuerzos a descubrir materiales nuevos y mejores, y cuya responsabilidad es también el modo en que tales materiales pueden aprovecharse industrialmente y los efectos del tratamiento industrial sobre sus propiedades.
Aunque sus misiones pueden ser muy distintas, es evidente que el número de ingenieros que deben preocuparse de las relaciones mutuas entre materiales y procesos de fabricación es elevado.
Como ejemplo de las estrechas relaciones entre proyecto, selección de materiales y selección y utilización de un proceso industrial, consideremos el enchufe hembra para electrodoméstico en la figura 1-4. Dicho enchufe se adquirió en un detallista por $1,40, mientras que el fabricante habría probablemente cobrado por él unos 85 centavos. Como vemos en la figura 1-4, consta de 10 piezas. O sea, el fabricante tuvo
8 Introducción
Partes componentes 10
3
4 5
Armado 6
FIGURA 1-4. Enchufe para electrodoméstico, armado y desarmado.
que producir, armar y vender las 10 piezas por menos de 85 centavos, a una media de 8,5 centavos por pieza, para sacar buenos beneficios. Esto sólo lo habrá logrado prestando muchísima atención al diseño, y a la elección de materias primas, procesos y útiles empleados en la fabricación, así como al aprovechamiento del personal.
Un enchufe para electrodomésticos es un producto relativamente simple, pero los problemas implicados en su fabricación son representativos de todos a los que deben enfrentarse las industrias manufactureras. Los elementos de diseño, las materias primas y los procesos de elaboración mencionados están estrechamente vinculados; cada uno ejerce su efecto sobre los otros. Por ejemplo, si las dos piezas de plástico que forman el armazón hubieran de unirse entre ellas mediante tornillos y tuercas, y no mediante dos horquillas, se precisarían máquinas, procesos y métodos de montaje completamente diferentes. De modo parecido, el buen resultado del enchufe depende de que las horquillas se hayan construido de un material elegido acertadamente. Este había de ser suficientemente dúctil para que se doblara sin partirse, pero suficientemente resistente y rígido para que actuase de resorte, manteniendo ambas piezas de plástico sólidamente unidas. Evidentemente, durante el diseño de enchufe y horquillas hubieron de considerarse tanto el material como el proceso, a fin de asegurar un producto satisfactorio susceptible de ser fabricado económicamente.
La reseña de todas las dificultades a solventar hasta conseguir un enchufe para electrodoméstico por 85 centavos sería muy larga. Imaginemos la magnitud de un resumen similar para un automóvil o un cohete espacial. El hecho de que un automóvil moderno pueda comprarse a los precios hoy habituales constituye una prueba de que la industria se ha preparado para tratar eficazmente la multitud de problemas que acompañan al proyecto y fabricación de los complicados productos modernos. La solución a tales problemas requiere ingenieros ampliamente conocedores de los fundamentos de las propiedades de los materiales y de los procesos de fabricación,
Introducción 9
y cómo aplicar ese conocimiento a todas las etapas de la producción, mediante la supervisión de la maquinaria e instalaciones dedicados a ella, y desde el disefio de la primera idea.
Sistemas de fabricación y producción. En la manufactura de productos industriales acostumbra a seguirse uno de los tres esquemas siguientes: de taller general, de taller de proceso en serie y de taller de proyectos. Un cuarto tipo, el de proceso continuo, es corriente en la industria química y aquí no vamos a entrar en detalles sobre el mismo ya que trata fundamentalmente con líquidos (como las refinerías de petróleo) y no con sólidos.
El más común de estos esquemas es el de taller general, que se caracteriza por una gran variedad de elementos, máquinas universales y una disposición funcional (véase fig. 38-2). Esto significa que las máquinas se reunen por su función (todos los tornos juntos, todas las fresadoras juntas, etc.) y las piezas se hacen circular en pequefios lotes entre las distintas máquinas del taller.
Los talleres de proceso en serie se caracterizan porque los lotes de piezas son mayores, y las máquinas son específicas, menos variadas y más mecanizadas. La producción puede obedecer a planes continuos o discontinuos. Si el taller es continuo, se destina esencialmente a trabajar grandes volúmenes de un único artículo y ninguno más. Thl es el caso del enchufe de electrodoméstico. Otro ejemplo característico sería una línea transfer que produzca un bloque de motor. Si el taller es discontinuo, la línea trabaja lotes grandes, pero periódicamente se cambia para que trabaje una pieza similar pero diferente.
Un taller de proyecto se caracteriza por la inmovilidad del artículo a manufacturar. En la construcción son buenos ejemplos los puentes y carreteras; en el terreno de la fabricación de productos, es así como se hacen Jos grandes aviones y las Jocomotoras. Es necesario que el personal, las máquinas y los materiales acudan a pie de obra. El número de productos finales no es elevado, por lo que los lotes de componentes que van a parar al producto final no es elevado. Es así que, muchas veces, el taller general y el de proyectos están relacionados, elaborando el primero pequefios lotes de piezas destinadas al segundo.
Hay, naturalmente, formas híbridas de estos sistemas de fabricación, pero el de taller general es el más corriente y puede seguir siéndolo a causa de
1 . La proliferación de productos en número y variedad, lo que supone 1& disminución de Jos Jotes conforme aumenta la variedad.
2. El continuado aumento en la variedad de materiales con características muy dispares.
Por su constitución, el taller general se ha demostrado que es el menos económico de todos los sistemas. El núcleo del problema reside en que, por término medio, una pieza pasa sólo un 50Jo del tiempo en máquina, y el resto esperando o en traslado de una sección a la siguiente. La pieza, una vez en la máquina, sufre un proceso de elaboración real (o sea, recibiendo un valor afiadido merced al cambio de forma) só-
10 Introducción
lo durante un 300Jo del tiempo aproximadamente. El resto del tiempo se gasta, en cargarla, descargarla, verificarla, etc. La aparición de máquinas programables ha servido para mejorar el porcentaje de tiempo que pasa la máquina arrancando viruta, dado que los movimientos de la herramienta están programados y la máquina puede cargarse y descargarse automáticamente, y también cambiar de herramientas. No obstante, determinadas tendencias están obligando a las directivas de fabricación a considerar medios por los cuales rediseñar el taller general en si mismo al objeto de mejorar su rendimiento global. Tales tendencias han llevado a las compañías manufactureras a examinar los beneficios de conceptos tales como el de tecnología de grupo (GT1). La aplicación de la GT permite reorganizar el taller general en tipos de sistemas de fabricación totalmente nuevos, llamados sistemas de fabricación flexibles y sistemas de fabricación celulares. En estos sistemas, las máquinas se agrupan (disponen) de modo que pueda trabajarse una familia de piezas (piezas que presentan unas necesidades de elaboración similares). En el capítulo 38 se pormenoriza esta cuestión.
Los japoneses han puesto en práctica con éxito numerosas innovaciones en la fabricación y gestión industrial. Así, se proponen un objetivo de producción para un momento preciso (JIT2), por el cual tratan de que su producción sea en partidas muy pequeñas. Su intento es reducir los tiempos de preparación de máquinas para que sea económico producir lotes reducidos, lo cual, a su vez, redunda en la calidad, el interés de los trabajadores, la productividad y la reducción de existencias y control de almacenes. Este sistema JIT impide que se produzcan grandes cantidades de piezas defectuosas y ha permitido implantar un sistema de control de calidad total (TQC3) en el que el trabajador es el primer responsable de la calidad. De ambos sistemas, JIT y TQC, se trata en el capítulo 39. Por si mismo, el sistema JIT amplía la función y la responsabilidad de los trabajadores en su labor. Además, para la implantación eficiente de las técnicas de diseño con ayuda de ordenador y de fabricación con ayuda de ordenador (CAD/CAM4) resulta difícil encontrarle parangón.
Los talleres de producción en serie se han caracterizado por su maquinaria específica pensada para producir en grandes cantidades. Este es el que parece ser el punto de vista aceptado acerca de la fabricación en masa: empleo de operarios «menos capacitados» en una gama de operaciones limitada. De hecho, la producción en masa supone la fabricación de muy grandes cantidades de productos normalizados, producidos mediante el empleo de la división o especialización en el trabajo.
Un taller de proyectos se caracteriza por el movimiento del personal, máquinas, equipos y materiales necesarios hasta el artículo en fabricación, siendo característico de dicho artículo un tamaño excesivo para que pueda trasladarse fácilmente, como es el caso de los aviones y locomotoras, o bien ser realmente necesario, como un puente
1 GT: Group Technology. 2 JIT: Just-In Time. 3 TQC: Total Quality Control. 4 CAD/CAM: Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Manufacturing.
Introducción 11
o un edificio. La construcción de un edificio puede considerarse un proyecto. Además, cuando se edifica una urbanización, en la que se construyen numerosas casas en un sólo emplazamiento, los equipos se trasladan de una casa a otra, pasando por diversas fases de la construcción. En términos generales, en un taller de proyectos los lotes son pequeños y los artículos finales, caros. Desde luego, incluso las casas pueden construirse en una línea de una planta industrial y trasladarse en camión hasta su emplazamiento con reducciones de costo importantes. En el capítulo 38 se resumen las características de los sistemas de fabricación básicos.
Estudio de formas. En la elaboración de piezas metálicas, el objetivo fundamental es conseguir un componente dotado de uná configuración, un tamaño y un acabado pretendidos. Toda pieza tiene una forma definida por superficies de varios tipos y dimensiones repartidas y dispuestas unas con relación a otras. Por consiguiente, cada pieza se elabora confeccionando las superficies que coPstituyen dicha forma. Las superficies pueden ser
l. Planas o lisas. 2. Cilíndricas: exteriores o interiores. 3. Cónicas: exteriores o interiores. 4. Irregulares: curvas o alabeadas.
En la figura l-5 se ilustra cómo estudiar una forma separándola en sus superficies limítrofes básicas. Las piezas se realizan mediante procesos que (1) eliminan porciones de un bloque de material en bruto hasta producir y dejar como se desee las superficies limítrofes, o bien que (2) obligan al material a conformarse en una estructura estable provista de las superficies limítrofes buscadas. En consecuencia, al diseñar un objeto, se delinean y especifican la forma, el tamaño y la disposición de las superficies limítrofes. Luego, esa configuración debe estudiarse para determinar qué materiales proporcionarán las propiedades deseadas y cuáles pueden ser los procesos mejores para conseguir los productos finales al precio más razonable posible. Esto se llama diseño productivo.
4
6
1 2S~p4erf5ic6ie -::P,.-Ia_nTa...:.ip_o ___ _ 1 I..,JI 1 1
7 8 9
Cónica externa Cilíndrica interna Irregular curva
FIGURA 1-5. Objeto formado por siete superficies geométricas. Las líneas de trazos son las superficies interiores.
12 Introducción
Terminología. Los vocablos actualmente al uso relativos a la producción poseen una categoría u orden que es importante comprender bien. El orden de categoría que se muestra en la tabla 1-1 no es absoluto sino relativo, y los vocablos suelen solaparse en el uso popular que, a veces, es contradictorio. En este texto un sistema de producción se refiere a la totalidad de una empresa o firma y dentro del mismo quedan abarcados los sistemas de fabricación.
Nos encontramos aquí, evidentemente, con una dificultad concerniente a los términos fabricación y producción. El mismo término puede referirse a muchas, y diferentes, cosas. Por ejemplo, «taladro» puede referirse a la máquina herramienta que realiza tal tipo de operaciones; a la operación en sí, la cual puede efectuarse en muchos tipos de máquinas distintas o bien, a la herramienta, la cual existe en muchas formas distintas. Por consiguiente, es importante emplear vocablos y expresiones modificantes siempre que sea posible: «En la taladradora radial abrir un orificio con una broca de 25 mm». La atención de este libro se dirige al conocimiento de los procesos, máquinas y herramientas necesarios para fabricar y al modo en que interactúan con los materiales a elaborar.
Procesos de fabricación básicos. Los procesos de fabricación pueden agruparse en cinco tipos:
l. Fundición o moldeo 2. Conformación y corte 3. Mecanizado (eliminación de material) 4. Montaje/ensamblado 5. Acabado 6. Tratamientos térmicos 7. Otros
Estos tipos no son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, hay operaciones de acabado en las que interviene la eliminación de pequeñas cantidades de material o una cierta conformación de metal. Para unir o eliminar metal, o bien para tratamiento térmico, puede utilizarse láser. En ocasiones, se presentan operaciones de cizallado, que en realidad consiste en cortar el metal, pero se contempla como un proceso de conformado (de chapas). Así pues, estas categorías no son, ni con mucho, perfectas.
En la fundición y el moldeo se introduce material licuado, granular o en polvo en la cavidad de un molde previamente preparado. El material licuado (generalmente algún metal fundido) se solidifica y adquiere la forma de la cavidad, reteniéndola cuando se retira el molde, abriéndolo o rompiéndolo. Cuando se emplea un material granular o en polvo, debe aplicarse una presión considerable para obligarlo a amoldarse a la forma de la cavidad del molde y a adquirir la densidad conveniente. Mu-
TABLA 1-1 Vocabulario de producción
Vocablo
Sistema (producción)
Proceso o secuencia de operación
Máquina ó máquina herramienta
Fundición
Operación (a veces llamada proceso)
Herramientas o herramental
Significado
Todos los aspectos de personal, máquinas, materiales e información, considerados en conjunto, necesarios para fabricar piezas o productos; integración de todos los puntos críticos del sistema (véase fig. 38-4)
Serie de operaciones de fabricación con el resultado de unos productos finales concretos; el sistema de fabricación es una ordenación o disposición de numerosos procesos, como ocurre en un taller general o en un taller de producción en línea
Elemento de equipamiento concebido para realizar procesos concretos; a menudo llamada máquina-herramienta; las máquinas se encadenan para formar un proceso de fabricación
Conjunto de operaciones efectuadas con máquinas, o conjunto de tareas realizadas por un hombre en un puesto de trabajo de una línea
Acción o tratamiento concretos, cuyo conjunto forman la función de un operario
Se refiere a los utensilios usados para sujetar, cortar, conformar, o deformar los materiales a trabajar; llamadas herramientas de corte con relación al mecanizado; pueden ser posicionadores y montajes para sujetar piezas; y punzones y estampas en la conformación de metales
Ejemplos
Una firma que hace motores, una planta de ensamblado, una fábrica de vidrios, fundería.
Moldeo por inyección, laminado de planchas de acero, soldadura por puntos de carrocerías de automóvil, serie de operaciones enlazadas
Soldadura por puntos, fresadora, torno, taladradora, fragua, martinete, fundidora de moldes
Accionar torno, verificador, ensamblado final, conductor carretilla elevadora
Taladrar, escariar, doblar, soldar, tornear, refrentar, fresar, extrudir, termotratar
Muela, broca, macho de roscar, fresa radial, estampa, molde, mordaza, tornillo de banco de tres mordazas
13
14 Introducción
chas veces se aplica calor, además de presión. Cuando el material alcanza permanentemente la forma y la densidad deseadas, se abre el molde y se retira la pieza.
Una ventaja muy importante de la fundición y el moldeo es que, en una operación única, los materiales se hacen pasar desde su estado en bruto a una forma útil. En la mayoría de los casos, existe una ventaja secundaria y es que el material sobrante, o chatarra, puede reciclarse fácilmente. En la figura 1-6 se ilustran esquemáticamente las ideas básicas de ambos procesos.
Es corriente clasificar los procesos de fundición atendiendo a los moldes. Si el molde es permanente y puede emplearse repetidamente, se dice que el molde es fijo o durable. Por el contrario, si no lo es y debe prepararse uno nuevo en cada colada, se dice que el molde es perdido. En el capítulo 11 se tratan los pormenores de estos procesos. Los procesos de moldeo acostumbran a clasificarse de acuerdo con el ma-
Mazarotas
Semicaja superior
Semicaja inferior
Agujero de colada Pieza
Semicaja inferior
Agujeros de colada
FIGURA 1-6. Procesos de moldeo. Moldeo en arena. Las cavidades en la arena se consiguen mediante modelos. (Dcha.) Moldes metálicos permanentes reutilizables. (De Manufacturing Producibility Handbook; cortesía de General Electric Company.)
TABLA l-2 Procesos básicos de conformación y corte de metales
Nombre
Laminado
Extrusión
Estirado
Estiraje
Prensado o embutición profunda
Acuñado
Martillado
Significado
Reducción del espesor o conformación de la sección transversal de planchas o barras, pasándolas por parejas de rodillos
Obligar al metal, frío o caliente, a pasar por hileras para obtener perfiles continuos de sección transversal prefijada
Impulsar bandas metálicas (pletina) por hileras para que formen tubos; impulsar barras o alambres por hileras para acabado dimensional y reducción de diámetro
Alargar un material, para eliminar retorcimientos, endurecer, reducir espesor o conformar sobre horma
Aplicar grandes fuerzas, con o siri una pieza, o forzarla dentro de otra; o para mantener dos piezas comprimidas una contra otra, mientras se calientan, se adhieren o estratifican
Grabar o imprimir un motivo superficial sobre metal frío, o forzar una pieza a una medida de acabado aplicando estampas a grandes presiones
Golpes repetidos, para vibrar violentamente, forjar en basto o aplastar
Ejemplos
Laminado de perfiles redondos, hexagonales o cuadrados; laminado de raíles, conformación por laminado de patas de silla, guías de ventana, chasis de automóvil, partes de radiador
Guías de aluminio para ventana, tubos de dentífrico, tubos sin costura, mangueras de plástico, fibras sintéticas, molduras y adornos
Tubos, conductos, alambres por hileras; bandas metálicas por rodillos
Enderezado de barras, alambre, tubos y bandas; arrollado por tracción de alambre y bandas desde y hacia carretes y bobinas; tensado de alambres y varillas para pretensar hormigón
Cacerolas y sartenes, pantallas de lámparas, guardabarros de auto, tapas de máquinas de escribir, frontales de hornos o neveras; montaje del eje de un motor eléctrico en las delgas, o mangos en cabezas de martillos
Medallas, placas, escalas, pomos, botones, adornos, contactos eléctricos, salientes de soldadura
Forjar, clavar, desmoldear piezas o noyos, conificar extremos de piezas, recalcar (acortar y engrosar piezas), encabezar clavos y tornillos
15
TABLA 1-2 (continuación)
Nombre
Forja
Curvado
Doblado
Repujado 1
Engatilladorebordeado
Conformado
Enrollado
Cizallado
Significado
Estampar, comprimir o martillear metal, habitualmente caliente, entre estampas, para conformar piezas en basto
Flexión de un material más allá del límite elástico al objeto de provocar un cambio de forma permanente
Doblar metal en chapa sobre hormas rectas para obtener pliegues agudos
Generación de una «forma de revolución» a partir de un disco de chapa, estirándola y curvándola a la vez que gira; la fuerza se aplica sobre un radio progresivamente creciente, haciendo que el disco adopte la forma de la horma en la que se apoya
Unión o fijación comprimiendo entre sí bordes doblados de chapa metálica
Arrollamiento cilíndrico de chapas; curvado longitudinal en dobleces, pliegues y engatillados, en bandas largas
Arrollar o plegar sobre sí alambres o tiras para que adopten una cierta configuración
Dividir en dos chapa, varilla o redondos, colocando material en el ángulo agudo formado por dos cuños que se deslizan uno respecto a otro
1 A veces. se conoce también como «repulsadO>>.
16
Ejemplos
Cigüeñales, bielas, martillos, llaves de paso, fuentes, bolas en basto (para cojinetes), engranajes, árboles, cuchillas, horquillas, palancas.
Tubos, planchas de acero, raíles, herraje artístico, herrajes de refuerzo, soportes, miembros estructurales
Paneles de armario, puertas de hornos, cajas de fibra y metálicas, conductos de calor
Thpas de acceso, tolvas, cubetas de mezcla, paneles de carrocería, secciones de avión, recipientes para máquinas de cocina, recipientes de tratamiento
Tambores, cajas, latas, conductos de calor, tubería flexible
Tambores, calderas, depósitos; adornos, encofmdos para hormigón, techos ondulados, canalones; miembros para muebles de acero
Espiras, muelles, cilindros metálicos, árboles, chapas, contrachapados
Cizallas para chapa, cortahierros y cortabarras, alicates para alambre, tijeras para redondos, ranurado, tronchadura de esquinas, recorte de chapas a medida, re
. corte de sobrantes, corte de papel