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Manual de diseño de producto para manufactura Guía práctica para producción a bajo costo

Traducción: Francisco C. Noriega Perito traductor Juan Sánchez Herzberger Ingeniero Químico Facultad de Química UNAM Director de manufactura de Beecham José Antonio Morales García Ingeniero Metalúrgicto

Revisión técnica: Leopoldo Pérez Zúñiga Ingeniero mecánico Profesor titular de mecánica IPN

Manual de diseño

de producto: para manufactura Guia práctica para producción a bajo costo

Editor in Chief Vice President-Operaüons Alpha Metals, Inc. Jersey City, New Jersey

McGRAW-HILL MÉXICO • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA MADRID • NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN SANTA FÉ DE BOGOTÁ • SANTIAGO • SÁO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • PARÍS • SAN FRANCISCO • SINGAPUR ST. LOUIS • SIDNEY • TOKIO • TORONTO

Gerente de producto: Jorge Alberto Ruiz Supervisor de traducción: Eduardo Mendoza Tello Supervisor de producción: Alberto Álvarez Ramos

MANUAL DE DISEÑO PARA PRODUCTOS DE MANUFACTURA Guía práctica para producción a bajo costo Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 1993, respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE MÉXICO, S. A. de C. V. Atlacomulco 499-501, Fracc. Ind. San Andrés Atoto 53500 Naucaípan de Juárez, Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de \a Industria Editorial, Reg. Núm. 1890 ISBN 968-422-254-8 Obra completa ISBN 968-422-256-4 Tomo II Traducido de la primera edición en inglés de HANDBOOK OF PRODUCT DESIGN FOR MANUFACTURING A practical guide to low-cost production Copyright © MCMLXXXVI, by McGraw-Hill inc., U. S. A. ISBN 0-07-007130-6 1234567890

LI-93

impreso en México

: 9087654123 Printed in México

Esta obra se terminó de imprimir en mayo de 1993 en Litógráfica Ingramex, S.A. de C.V. Centeno No. 162-1 Col. Granjas Esmeralda Delegación Iztapalapa 09810 México, D.F Se tiraron 3000 ejemplares

Contenido Colaboradores /VII Prefacio/XI SECCIÓN 4 Componentes maquinados CAPÍTULO 4.1 Diseño para maquinado: lineamientos generales CAPÍTULO 4.2 Piezas cortadas a cierta longitud / Ted Slezak CAPÍTULO 4.3 Productos de máquina para hacer tornillos / Fred W. Lewis CAPÍTULO 4.4 Otras piezas torneadas / Theodore W. Judson CAPÍTULO 4.5 Agujeros redondos maquinados CAPÍTULO 4.6 Piezas producidas en máquinas fresadoras / Theodore W. Judson CAPÍTULO 4.7 Piezas producidas por cepillado, limado y limado vertical CAPÍTULO 4.8 Roscas de tornillos / Teledyne Landis Machine CAPÍTULO 4.9 Piezas brochadas / Robert Roseliep CAPÍTULO 4.10 Piezas aserradas en contorno CAPÍTULO 4.11 Piezas cortadas con llama/ Paul Sopko CAPÍTULO 4.12 Piezas con esmerilado interno/ Roald Cann CAPÍTULO 4.13 Piezas esmeriladas en forma cilindrica en máquinas del tipo con centros / Wes Mowry

4-1 4-3 4-11 4-21 4-33 4A5 4-59 4-71 4-81 4-103 4-117 4-125 4-133 4-145

vi

CONTENIDO

CAPÍTULO 4.14 Piezas esmeriladas sin centros / L.J. Piccinino CAPÍTULO 4.15 Superficies esmeriladas planas/ R Bruce MacLeod CAPÍTULO 4.16 Piezas pulidas con piedras, asentadas ("lapeadas") y superacabadas / R W. Militzer CAPÍTULO 4.17 Piezas pulidas (bruñidas) con rodillos/ C. Richard Liu CAPÍTULO 4.18 Piezas producidas por electroerosión (EDM) / Stuart Haley CAPÍTULO 4.19 Piezas de maquinado electroquímico / James W. Throop CAPÍTULO 4.20 Piezas de maquinado químico / WelsfordJ. Bryan CAPÍTULO 4.21 Piezas producidas con otros procesos modernos para maquinado CAPÍTULO 4.22 Engranes// FranklinJones CAPÍTULO 4.23 Diseño para eliminación económica de rebabas / LaRoux K. Gillespie

SECCIÓN 5 Piezas fundidas (coladas) CAPÍTULO 5.1 Piezas fundidas en moldes de arena/ Edward C. Zuppann CAPÍTULO 5.2 Otras fundiciones (coladas) / B. W. Niebel CAPÍTULO 5.3 Fundición en molde con revestimiento / Robert J. Spinosa CAPÍTULO 5.4 Fundición a presión / John L. Macharen y Fred H. Jay

4-151 4-157 4-169 4-181 4-189 4-197 4-207 4-217 4-231 4-261

5-1 5-3 5-23 5-39 5-49

Colaboradores

Donald A. Adams, The Singer Company, Elizabeth, New Jersey (Cap. 8.4) Robert W. Bainbridge, Occidental Chemical Corp., Durez Resins & Molding Materials, North Tonawanda, New York (Cap. 6.1) Ronald D. Beck, Fisher Body División, General Motors Corp., Warren, Michigan (Cap. 6.12) J. R. Casey Bralla, TRW, Augusta, Georgia (Cap. 6.7) Welsford J. Bryan, Robert Bosch Corporation, Charleston, South Carolina (Cap. 4.20) Roald Cann, Bryant Grinder Corporation, Springfield, Vermont (Cap. 4.12) E. N. Caste llano , Genera l Ma na ger, Liqwa con Corporation, T homa ston, Connecticu t (Cap. 3.14) Calvin J. Cooley, Metallurgical Engineer, Conunittee of Stainless Steel Producers, American Iron and Steel Institute, Washington, D.C. (Cap. 2.2, Parte 3) Engineering Staff, Teledyne Landis Machine, Waynesboro, Pennsylvania (Cap. 4.8) John L. Everhart, Westfield, New Jersey (Cap. 3.8) Joe K. Fischlin, American Feintool, Inc., White Plains, New York (Cap. 3.3) Henry O. Fuchs, Stanford University, Stanford, California, and Consultant and Former President, Metal Improvement Co., Paramus, New Jersey (Cap. 8.7) LaRoux K. Gillespie, Senior Process Engineer, Kansas City Division, Bendix, Kansas City, Missouri (Cap. 4.23) Albert J. Gonas, Fisher Bódy Division, General Motors Corp., Warren, Michigan (Cap. 8.2) Stuart Haley, Manager, International Sales, Colt Industries, Davidson, North Carolina (Cap. 4.18) Charles A. Harper, Systems Development Division, Westinghouse Electric Corporation, Baltimore, Maryland (Cap. 2.4)

vii

viii

COLABORADORES

Paul M. Heilman, Sales Manager, Forgings, Bridgeport Brass Company, Norwalk, Connecticut (Cap. 3.13) Nicholas S. Ilodska, Stratford, Connecticut (Caps. 6.5 y 7.2) Frederick W. Hornbruch, Jr., Laguna Hills, California (Cap. 1.2) Fred II. Jay, Fisher Gauge Limited, Peterborough, Ontario (Cap. 5.4 Fundición a presión) J. Franklin Jones, Springfield, Vermont (Cap. 4.22) Theodore W. Judson, Professor of Process Engineering, GMI Engineering and Management Institute, Flint, Michigan (Caps. 4.4 y 4.6) Kenncth Langlois, Torin Corporation, Torrington, Connecticut (Cap. 3.4) Fred W. Le wis, Standard Locknut and Lockwasher, Inc., Carmel, Indiana (Cap. 4.3) C. Richard Liu, School Of Industrial Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana (Cap. 4.17) F. N. Longo , Materials Engineering Department, Metco, Incorporated, Westbury, New York (Cap. 8.3, Parte 2) John L. MacLaren, Vice Presiden!, Marketing, Western Die Casting Company, Emeryville, California (Cap. 5.4) R. Bruce MacLcod , Vice President, Taft-Peirce Supfina, Cumberland, Rhode Island (Cap. 4.15) William B. McMullin, Process and Product Development Laboratory, Reynolds Metals Company, Richmond, Virginia (Cap. 2.3, Parte 1) R. W. Militzer, P. E., Consulting Engineer, Fenton, Michigan (Cap. 4.16) J.

Gilbert Mohr, J. G. Mohr Co., Inc., Maumee, Ohio (Caps. 6.4, 6.6, y 6.11) Wes Mo wry, Senior Product Engineer, Vitrified Product Engineering, Abrasivc Marketing Group, Norton Company, Worcester, Massachusetts (Cap. 4.13) Alan J. Musbach, MCP Industries, Inc., Detroit, Michigan (Cap. 8.2) B. W. Niebel, Professor Emeritus of Industrial Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania (Cap. 5.2) Ralph A. Pannier, The Pannier Corporation, Pittsburgh, Pennsylvania (Cap. 8.6) L. J.Piccinino, Head Instructor, School of Grinding, Norton Company, Worcester, Massachusetts (Cap. 4.14) Robert Roseliep, President, General Broach and Engineering Corp., Mount Clemens, Michigan (Cap. 4.9) Harry Saperstein, Livingslon, New Jersey (Cap. 3.6) Gerald L. Schneberger, Director, Continuing Education, GMI Engineering and Management Institute, Flint, Michigan (Caps. 7.4 y 8.5) Ted Slezak, Armstrong-Blum Mfg. Co., Chicago, Illinois (Cap. 4.2) John G. Sommer, Research Division, GenCorp, Akron, Ohio (Cap. 6.10) Paul Sopko, Aireo Welding Products, Murray Hill, New Jersey (Cap. 4.11) Robert J. Spinosa, The Singer Company, Elizabeth, New Jersey (Cap. 5.3) John Stein, The Singer Company, Elizabeth, New Jersey (Cap. 3.2) Federico Strasser, Santiago, Chile (Cap. 3.2) B. II. Swan, Industrial Powder Met (Consultants) Ltd., London, England (Cap. 3.12) Dieter E. A. Tannenbcrg, Senior Vice President, AM International, Inc., President, Multigraphics Division, Mount Prospect, Illinois (Cap. 3.15) Technology Committee, Spring Manufacturers Institute, Wheeling, Illinois (Cap. 3.5) James W. Throop, Professor of Process Engineering, GMI Engineering and Management Institute, Flint, Michigan (Cap. 4.19) Daryl E. Tonini, Manager of Technical Services, American Hot Dip Galvanizers Association, Inc., Washington, D.C. (Cap. 8.3 Parte 1)

COLABORADORES

ix

William R. Tyrrell, Director, Plastics Processing, Branson Sonic Power División, Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Connecticut (Cap. 6.9) Charles Wick, Coiisullant, Birmingham, Michigan (Cap. 3.7) Jay C. Willcox, Toro Company, Minneapolis, Minnesota (Cap. 7.1) Edward C. Zuppann, Meehanite Worldwide División, Meehanite Metal Corporation, White Plains, New York (Cap. 5.1)

Prefacio

De acuerdo con mi experiencia en la industria, que abarca 35 años desde que recibí mi título, las reducciones de costo y prevenciones de costo de manufactura más importantes son resultado de cambios en el diseño del producto, no de modificaciones en los métodos o sistemas de manufactura. Este manual se preparó para constituir una estructura de información para el diseñador de productos, el ingeniero de manufactura y sus colegas, a fin de que les ayude a lograr esta clase de mejoramiento en el diseño. Concentra desde componentes de "mecanismos" integrales a productos mecánicos, electromecánicos y electrónicos y que tienen empleo en infinidad de otros productos, como los alimenticios, químicos, textiles, etcétera, como parte si no es que el todo de su conjunto. Este manual estuvo en preparación durante más de 10 años; este relativamente largo periodo se debió a la enorme cantidad de información detallada que deseábamos incluir. Éste es, quizá, el único manual de McGraw-Hill que ha sido preparado en el aire: gran parte de la edición la efectué durante mis viajes de negocios, durante los vuelos y en las salas de espera de los aeropuertos. Estoy agradecido con muchas personas que dieron una ayuda invalorable e hicieron posible la preparación de este libro. La primera y más importante, mi querida esposa Clare, finada, quien me brindó su estímulo y ayuda durante todo el periodo de preparación de este libro. Muchas otras personas me ayudaron a obtener los datos necesarios o me recomendaron Con especialistas que escribieron capítulos de este manual o me prestaron otro tipo de ayuda. Estoy particularmente agradecido con el señor J. Gilbert Mohr, de Maumee, Ohio, quien no sólo aportó su experiencia con plásticos y cerámicas en los capítulos del manual que redactó, sino también me dio ayuda adicional para localizar material necesario para otros capítulos. También agradezco a otros editores que nos permitieron utilizar su material en este libro. Los más importantes son American Society for Metals, editores de Metals Handbook; Society of Manufacturing Engineers que publican el Tool and Manufacturing Engineers Handbook y al señor Roger W. Bolz, autor de 77ic Productivity Handbook. Se ruega a los lectores informar al editor de cualesquier errores en que se pudo incurrir en los datos reproducidos en este libro.

JAMES G. BRALLA Glen Ridge, Nueva Jersey

xi

SECCIÓN 4

Componentes maquinados

Capítulo 4.1 Capítulo 4.2 Capítulo 4.3 Capítulo 4.4 Capítulo 4.5 Capítulo 4.6 Capítulo 4.7 Capítulo 4.8 Capítulo 4.9 Capítulo 4.10 Capítulo 4.11 Capítulo 4-12 Capítulo 4.13 Capítulo 4.14 Capítulo 4.15 Capítulo 4.16 Capítulo 4.17 Capítulo 4.18 Capítulo 4.19 Capítulo 4.20 Capítulo 4.21 Capítulo 4.22 Capítulo 4.23

Diseño para maquinado: lineamientos generales Piezas cortadas a cierta longitud Productos de máquina para hacer tornillos Otras piezas torneadas Agujeros redondos maquinados Piezas producidas en máquinas fresadoras Piezas producidas con cepillado, limado y limado vertical Roscas de tornillos Piezas brochadas Piezas aserradas en contorno Piezas cortadas con llama Piezas rectificadas internamente Piezas rectificadas cilindricamente en máquinas del tipo con centros Piezas rectificadas sin centros Superficies con rectificado plano Piezas pulidas con piedras, asentadas ("lapeadas") y superacabadas Piezas bruñidas con rodillos Piezas producidas por electroerosión (EDM) Piezas maquinadas electroquímicamente Piezas maquinadas químicamente Piezas producidas mediante otros procesos avanzados de maquinado Engranes Diseño para quitar rebabas económicamente

4-3 4-11 4-21 4-33 4-45 4-59 4-71 4-81 4-103 4-117 ' 4-125 4-133 4-145 4-151 4-157 4-169 4-181 4-189 4-197 4-207 4-217 4-231 4-261 4-1

CAPÍTULO 4.1

Diseño para maquinado: lineamientos generales Proceso de maquinado Piezas maquinadas típicas Materiales recomendados por facilidad de maquinado Recomendaciones para diseño: piezas maquinadas

4-4 4-4 4-5 4-5

4-3

4-4

COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso de maquinado Todo el maquinado, ya sea cepillado o torneado profundo con buril, torneado con herramientas de forma o fresado, rectificado, pulido con piedras o asentado ("lapeado"), incluye el mismo proceso básico en el lugar en que la herramienta de corte toca la pieza de trabajo. En la figura 4.1-1 se ilustra este proceso. El material que se encuentra frente a la herramienta de corte se comprime cuando avanza la herramienta y falla el corte en una zona estrecha. Dicha zona se extiende en ángulo desde el filo del corte hasta la superficie de la pieza de trabajo que está delante de la herramienta. Para fines prácticos en el corte con buril, esta zona de cizallamiento se puede considerar como un plano. Cuando la herramienta de corte avanza dentro de la pieza de trabajo, el plano de cizallamiento o corte se mueve hacia adelante en forma constante. El material que pasa por el plano de cizallamiento se deforma y este material forma la viruta. En el caso de materiales dúctiles, es fácil que conste de una tira continua de metal deformado y caliente que se aleja de la pieza de trabajo a lo largo de la cara de la herramienta de corte. En caso de materiales no dúctiles o frágiles, la acción cortante ocasiona fracturas periódicas y las virutas consisten en piezas separadas, en vez de una tira continua de material. Dado que la energía gastada para el corte aparece en forma de calor, la herramienta de corte e incluso la pieza de trabajo experimentan un aumento considerable de temperatura. Este aumento se puede reducir cuando se aplica un fluido refrigerante en la herramienta de corte, el cual además de reducir la temperatura lubrica la herramienta en su movimiento contra la pieza de trabajo y, lo que es más importante, el movimiento de las virutas contra la cara de la herramienta. En las operaciones de rectificado que incluyen pulido con piedras y asentado ("lapeado"), existe la misma interacción básica entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Sin embargo, la herramienta en las operaciones de maquinado por abrasivo es una partícula abrasiva, que puede ser diminuta. La forma de la partícula abrasiva también puede variar mucho en relación con la de la herramienta para corte de metal ilustrada en la figura 4.1-1.

Piezas maquinadas típicas Las piezas maquinadas tienen empleo universal en productos tanto industriales como para consumo de cualquier clase. Se encuentran en aplicaciones en donde se requiere precisión. Si no es necesaria una gran exactitud dimensional, las piezas troqueladas, fundidas, conformadas o moldeadas, tal como están acabadas, resultan más económicas. Sin embargo, cuando hay que tener en cuenta el acabado de superficie, planicidad, redondez, circularidad, paralelismo y ajuste preciso, casi siempre se necesita cierto maquinado de la pieza. Casi invariablemente, si la pieza se mueve, está en contacto con una pieza que está en movimiento o ajusta con precisión en otra pieza, se emplean operaciones de maquinado en su manufactura. Para la mayor parte de las piezas intercambiables, el maquinado es un paso probable en la secuencia de manufactura. Por supuesto, se logran maravillas con componentes troquelados y moldeados y con las nuevas técnicas de precisión como metalurgia de polvos, punzonado fino y fundición en molde con revestimiento; pero estos procesos, por lo genera!, reducen mas no eliminan la necesidad del maquinado si la pieza tiene mía aplicación de precisión real.

FIG. 4.1-1 Acción de una herramienta para corte de metales.

DISEÑO PARA MAQUINADO: LINEAMIENTOS GENERALES

4-5

Las piezas maquinadas pueden ser muy pequeñas, como los tornillos, ejes y engranes en miniatura y otras piezas que se encuentran en relojes de' pulsera e instrumentos pequeños de precisión, o enormes, como las turbinas, carcasas de turbinas y válvulas que se encuentran en las centrales hidroeléctricas. Los materiales normales utilizados para componentes maquinados son una amplia variedad de metales, ferrosos y no ferrosos. Sin embargo, también se emplean plásticos (con o sin refuerzo), caucho (hule), carbono, grafito, madera y cerámicas.

Materiales recomendados por facilidad de maquinado En la tabla 1.4-14 del capítulo 1.4 se presenta un resumen de la facilidad de maquinado de los metales comunes, incluso los adecuados para un amplio sector de operaciones de maquinado. En los otros capítulos de esta sección 4 se incluyen las piezas producidas con operaciones específicas de maquinado y se hacen recomendaciones adicionales y más específicas acerca de los materiales. Los capítulos 2.2 hasta 2.4 de la sección 2 incluyen recomendaciones adicionales respecto de materiales que son ventajosos para maquinarlos. En la tabla 4.1-1 se presenta un resumen de cómo influyen los cambios en ciertas propiedades de los materiales en la facilidad de maquinado.

Recomendaciones para diseño: piezas maquinadas 1. Si es posible, evítense las operaciones de maquinado. Si la superficie o característica deseadas se pueden producir por fundición o formación, el costo siempre es más bajo (Fig. 4.1-2). 2. Especifíquense el acabado de superficie y tolerancias dimensionales tan liberalmente como sea posible, pero en concordancia con la función de la superficie, para simplificar la operación de maquinado primario y evitar costosas operaciones secundarias como rectificado, rimado (escariado), asentado ("lapeado"), etc. (Fig. 4.1-2). 3. Diséñese la pieza para facilitar su colocación y sujeción firme en los dispositivos durante las operaciones de maquinado (Fig. 4.7-4). Se debe proveer una superficie de montaje grande y firme, con superficies paralelas para sujeción, a fin de lograr una instalación segura. TABLA 4.1-1 Efectos de las propiedades de los materiales* Efecto probable de una reducción en el factor del material sobre: Factor del material Resistencia y dureza* Ductilidad" Endurecimiento por esfuerzo* Coeficiente de fricción1 * Conductividad térmica' Capacidad calorífica' Reactividad química^ Tamaño del grano Abrasivos insoluoles Adiciones para libre maquinado

Facilidad de maquinado8 Facilidad de acabado herramientas* Mejora Mejora Mejor Mejora Ninguna Ninguna Ninguna Mejora Mejora Disminuye

Ninguna Mejora Mejora Mejora Ninguna Ninguna Mejora Mejora Mejora Disminuye

Mejora Mejora Mejora Mejora Disminuye Disminuye Mejora Disminuye Mejora Disminuye

Cortesía Machine Design. "Facilidad de maquinado es la facilidad para arrancar virutas. *La resistencia a la tensión y la dureza son las guías más sencillas, pero no siempre confiables, de la facilidad de maquinado. Las aleaciones para altas temperaturas, por ejemplo, son difíciles de maquinar a pesar de sus bajas dureza y resistencia a temperatura ambiente. Su gran endurecimiento por esfuerzo y la reactividad a los materiales de las herramientas son las razones de ello. c Aunque la baja ductilidad parece ayudar en el maquinado, la ductilidad inadecuada (como la del molibdeno y el tungsteno) puede ocasionar astilladuchas las salidas de los cortes o en los bordes sujetos. ''La baja resistencia a la fricción es deseable; por tanto, se recomienda el empleo de fluidos para corte. *La baja conductividad térmica (en especial si está combinada con baja capacidad calorífica como en el titanio) produce alta temperatura en la herramienta y altas temperaturas localizadas en la pieza de trabajo. *La reactividad química de ciertos metales (como el titanio) puede ocasionar ludimiento, embarraduras y la soldadura del metal maquinado contra la herramienta.

4-6

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.1-2 Evítense las tolerancias que requieran operaciones de maquinado si las dimensiones y acabado de superficie de las piezas tal como fueron fundidas, forjadas o formadas satisfacen la función de la pieza. 4. Evítense los diseños que requieren esquinas y puntas agudas en las herramientas de corte, porque las hace más susceptibles a las roturas. 5. Utilícense las dimensiones estándar del material siempre que sea posible, si con ello se elimina una operación de maquinado o la necesidad de maquinar una superficie adicional (Fig. 4.1-3). 6. Es preferible, en todas las operaciones de maquinado con buril, evitar los cortes interrumpidos, porque reducen la duración de las herramientas o impiden el empleo de herramientas de carburo que son de corte más profundo o de cerámica. 7. Diséñese la pieza a fin de que tenga suficiente rigidez para soportar las fuerzas de sujeción y maquinado sin deformarse. Las fuerzas ejercidas por la herramienta de corte contra la pieza de trabajo pueden ser intensas, igual que las fuerzas de sujeción para sujetarla en forma segura. Las piezas que pueden ocasionar problemas en este aspecto son las de paredes delgadas, almas delgadas o cavidades y agujeros profundos que requieren maquinado. También diséñese la pieza para emplear un cortador rígido y que se tenga acceso a la superficie. (Esto se ilustra en la figura 4.1-4; véase también la figura 4.4-8.) 8. Evítense conicidades o biseles y contornos hasta donde sea posible en favor de formas rectangulares, que permiten herramientas y preparación más sencillas. 9. Redúzcase el número y tamaño de los rebordes, pues suelen requerir operaciones y material adicionales. 10. Evítense los rebajos, si es posible, pues suelen requerir operaciones adicionales con herramientas con afilado especial (Fig. 4.1-5). 11. Considérese la posibilidad de sustituir una pieza maquinada por u na troquelada. Si se tienen las herramientas o si las cantidades son suficientes para amortizar el costo de ellas, FIG. 4.1-3 Empléense las dimensiones están- una pieza de lá mina troquela d siempre tendar del material siempre que sea posible y mi- drá menor costo que una maquinada, siempre nimicese la cantidad de maquinado. y cuando la exactitud dimensional y el acaba-

DISEÑO PARA MAQUINADO: LINEAMIENTOS GENERALES

4-7

FIG. 4.1-4 Diséñese la pieza con suficiente rigidez para que soporte las fuerzas de corte y sujeción sin flexión importante y de modo que las herramientas de corte y portaherramientas no se flexionen. do de la superficie sean adecuados para la función de la pieza. En la figura 4.1-6 se ilustra un ejemplo. 12. Evítense los materiales endurecidos o difíciles de maquinar, salvo que sus propiedades funcionales especiales sean esenciales para la pieza que se va a maquinar. 13. En las piezas delgadas y planas que requieren maquinado de superficie, déjese suficiente material para el desbastado y el acabado. En algunos casos, puede ser aconsejable desfatigar entre los cortes de desbastado y de acabado; a veces hay que efectuarlo en ambos lados. Déjese alrededor de 0.4 mm (0.015 in) de material para el acabado. 14. Es preferible poner las superficies maquinadas en el mismo plano o, si son cilíndricas, que sean del mismo diámetro para reducir el número de operaciones requeridas. Cuando las su perficies no pueden estar en el mismo plano se deben ubicar, sí es posible, de modo de poder maquinarlas todas desde un solo lado o con la misma preparación.

FIG. 4.1-5 Evítense los rebajos hasta donde sea posible, pues requieren operaciones de maquinado adicionales que pueden ser costosas.

Pieza fundida maquinada

Troquelada en lámina

Esto si

FIG. 4.1-6 Las piezas troqueladas a menudo cuestan menos que las piezas fundidas maquinadas.

FIG. 4.1-7 Diséñense las piezas a fin de utilizar herramientas de corte estándar. 4-8

DISEÑO PARA MAQUINADO: LINEAMIENTOS GENERALES

4-9

15. Déjese acceso para los cortadores, bujes y elementos de los dispositivos. 16. Diséñense las piezas de trabajo de modo que se puedan utilizar cortadores estándar, en vez de los que se deben afilar en forma especial (Fig. 4.1-7). 17. Evítese que las líneas divisorias o conicidades se empleen como superficies para fijación o de guía. Si es posible, se deben proveer superficies alternas para fijación y guía. 18. Evítense los salientes, rebordes, etcétera, que interfieran con la carrera del cortador. En vez de ellos, se debe proveer espacio de despejo al final del corte, el cual se puede fundir o formar para minimizar el maquinado. También puede proveerse un espacio no critico para las rebabas. 19. La formación de rebabas es un resultado inherente de las operaciones de maquinado. El diseñador debe esperar que haya rebabas, por lo que proveerá espacio de despejo para ellas, si es posible, e incluirá los medios para la eliminación fácil de rebabas. (Véase Cap. 4.23.)

CAPÍTULO 4.2

Piezas cortadas a cierta longitud Ted Slezak Armstrong-BIum Mfg. Co. Chicago, Illinois

Procesos para cortar a cierta longitud Aplicaciones usuales Cantidades económicas para producción Recomendaciones para diseño Factores y tolerancias dimensionales

4-12 4-15 4-15 4-15 4-15

4-11

4-12

COMPONENTES MAQUINADOS

El recorte o corte a cierta longitud es una operación común de manufactura. Se efectúa siempre que se divide una pieza de trabajo larga en secciones menores, de longitud más útil. Con mucha frecuencia es parte de una operación múltiple, por ejemplo, en el funcionamiento de una máquina para hacer tornillos o de un troquel progresivo. El corte también se utiliza con relativa frecuencia como operación separada y con ella se relaciona este capítulo.

Procesos para cortar a cierta longitud Los siguientes procesos para cortar son los de empleo más frecuente, corte con: sierra de cinta, sierra de arco (segueta), sierra circular, disco abrasivo, disco de fricción, cizalladora, máquina del tipo de tomo, cortadoras de tubo de pared delgada (tipo de cizalla), corte con llama y, también otros, como corte con haz de electrones y con rayo láser, corte de alambres por electroerosión, etc. (figuras 4.2-1, 4.2-2, 4.2-3, 4.2-4 y 4.2-5). Las máquinas para recortar tienen tres componentes principales: 1. El mecanismo de avance del material, manual o automático, para alimentar tramos sin cortar del material a la herramienta de corte. 2. El mecanismo de corte: sierra, buril, disco abrasivo, etc. 3. La mesa o tobogán de descarga de los tramos cortados. Para el corte manual, el primero y tercer componentes pueden ser superficies de la mesa de trabajo para retener el material base y las piezas cortadas. En el equipo automático se pueden emplear tolvas, transportadores y complejos aparatos de control.

FIG. 4.2-1 Corte de una barra con sierra de arco. (Cortesía: Armstrong-Blum Mfg. Co.)

FIG: 4.2-2 Corte con lingotes de aluminio con sierra circular. (Cortesía: Hill Acmé Co.)

FIG. 4.2-3 Piezas y formas típicas cortadas con discos abrasivos. (Cortesía: W. J. Savage Co.)

4-13

FIG. 4.2-4 Máquina cortadora del tipo de tomo. (Cortesía: Modern Machine Tool Co.)

FIG. 4.2-5 Piezas típicas cortadas con máquinas cortadoras del tipo de torno. (Cortesía: Modern Machine Tool Co.) 4-14

PIEZAS CORTADAS A CIERTA LONGITUD

4-15

Aplicaciones usuales A menudo, con las operaciones de corte se obtiene un componente en forma de pieza acabada o casi acabada. Los ejemplos son elementos estructurales, espaciadores y pasadores sencillos. Con más frecuencia, el corte a cierta longitud es la primera de una serie de operaciones de maquinado, formado y acabado. Algunas de las situaciones en que puede ser aconsejable proveer una pieza de trabajo de una longitud especificada y en que se van a efectuar pocas o ninguna operaciones adicionales en la misma secuencia, son: 1. Cuando la pieza de trabajo no requiere procesamiento adicional, excepto soldadura o ensamble. 2. Cuando las operaciones adicionales requeridas se efectúan en forma más económica como operación subsecuente. 3. Cuando una preforma se puede convertir en una gran variedad de piezas terminadas y es preferible posponer la segunda operación como parte de un procedimiento para acabado a especificaciones. Como resultado de estos factores, las piezas incluidas en esta subsección se pueden hacer con muchos materiales, metálicos y no metálicos, con numerosas secciones transversales, regulares, irregulares, macizas o huecas y, por supuesto, en diversas longitudes. La longitud mínima para cada proceso depende de los aspectos económicos de los materiales utilizados, costo de mano de obra y factores de capacidad del proceso, como escuadramiento y acabado de superficie del corte. La mayor parte de los procesos de corte permiten lograr longitudes de apenas 1.3 mm (0.050 in). Consúltese la tabla 4.2-1 para las aplicaciones y factores más comunes de los métodos que más se utilizan.

Cantidades económicas para producción El equipo automático para corte requiere un tiempo corto para preparación; por tanto, un lote de tamaño moderado (100 a 1000 piezas) será económico. Con alimentación manual de material, se puede hacer una sola pieza a costo económico. En el extremo opuesto, en alta producción, no hay limites reales excepto para una auténtica producción en masa (más de 100 000 anuales) de piezas que requieren operaciones secundarias. En este caso, se justifica utilizar una máquina especial para combinar el corte con las operaciones secundarias y no se emplea únicamente el recorte.

Recomendaciones para diseño Las piezas cortadas a cierta longitud son de sencillez inherente y los diseñadores no necesitan hacer mucho para adaptar sus diseños y facilitar las operaciones de recorte. El mejor enfoque es comprobar que las tolerancias y otras especificaciones son compatibles con la capacidad y las limitaciones de los métodos más económicos de que se disponen. Por ello, los diseñadores no deben especificar una superficie cortada lisa y libre de rebabas si la pieza es un elemento estructural que se va a soldar por sus extremos; tampoco deben exigir una cara de extremo perfectamente a escuadra si la aplicación de la pieza no la requiere. Además, deben esperar y tener en cuenta la deformación si la pieza se puede cortar con una cizalla. También deben tener en cuenta las rebabas, las ranuras y los efectos en la superficie (dureza, decoloración y tersura) del proceso de corte que van a utilizar. Si la pieza se usa para producción grande y es aconsejable emplear tolvas alimentadoras de los tramos sin cortar del material, la pieza debe ser redonda y no hexagonal, cuadrada ni de otra forma, pues es deseable para la fácil alimentación.

Factores y tolerancias dimensionales Las variaciones en la longitud de las piezas cortadas pueden ser por lo siguiente: 1) grado de

PIEZAS CORTADAS A CIERTA LONGITUD

4-19

pericia del operador; 2) desgaste de la máquina; 3) variaciones en los ajustes, preparación y avance automático; 4) variaciones en la triscadora de los dientes de sierras o en la anchura del disco para el corte con abrasivo, y 5) desviación de la hoja; este último aspecto puede ser muy importante en el corte con sierra de arco, sierra cinta y, a veces, con disco abrasivo. La desviación ocurre cuando la hoja o el disco se deslizan hacia un lado al empezar el corte; también cuando se corta con sierra cinta o sierra de arco si la presión excesiva del corte y la tensión inadecuada de la hoja hacen que esta se flexione. Esta condición, por supuesto, altera el escuadramiento del corte y la exactitud de la longitud. Las máquinas para recorte (excepto las sierras circulares diseñadas para carburo) son menos rígidas que otras máquinas herramientas y, por tanto, más susceptibles de producir piezas con mayores variaciones en la superficie y las dimensiones. En la tabla 4.2-2 se resumen las tolerancias recomendadas de longitud, escuadramiento y acabado de superficie para piezas que se van a cortar a cierta longitud con métodos comunes.

CAPÍTULO 4.3

Productos de máquina para hacer tornillos Fred W. Lewis Standard Locknut and Lockwasher, Inc. Carmel, Indiana

Proceso Características usuales Aplicaciones usuales Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Tamaño y forma del material estándar Forma y complejidad de la pieza básica Evitar operaciones secundarias Formas externas Rebajos (socavaciones) Agujeros Roscas de tornillo Muleteado Esquinas agudas Extremos esféricos Ranuras y planos Marcas Secciones transversales especiales Recomendaciones para los planos Acotaciones Conicidades Recomendaciones para tolerancias

4-22 4-23 4-23 4-24 4-25 4-25 4-25 4-25 4-25 4-26 4-27 4-27 4-27 4-27 4-28 4-29 4-29 4-29 4-29 4-30 4-30 4-31 4-31 4-21

4-22

COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso En la producción de piezas de máquina para hacer tornillos se puede utilizar uno de tres tipos de máquinas básicas, así como muchas diferentes combinaciones de herramientas para remover o desplazar el metal. Estas herramientas trabajan en las superficies internas y externas de la pieza de trabajo en una secuencia predeterminada y automática. Los tres tipos básicos de máquina son la suiza, la de un husillo y la de husillos múltiples. La máquina de tipo suizo tiene cinco herramientas colocadas en sentido radial y dos o tres herramientas para trabajo axial, utilizadas como accesorios opcionales para taladrar, machuelar o biselar (achaflanar). La inclusión de un cabezal deslizante permite que el material en barras, esmerilado por lo general a + 0.025 mm (0.001 in) o menos, se puede avanzar o retraer para pasarlo por las herramientas radiales, que lo cortan en una secuencia predeterminada. La máquina de un husillo puede estar equipada con dos a cuatro herramientas radiales y una torreta con seis a ocho agujeros. La torreta contiene las herramientas que hacen los cortes internos y extemos. El material se puede alimentar más de una vez, según sea el trabajo que se va a hacer. En la figura 4.3-1 se ilustra una máquina típica de un husillo para tomillos. Las máquinas de husillos múltiples se construyen con 4, 5, 6 u 8 husillos (hay una que tiene 12). En cada husillo hay una corredera radial para herramienta y un portaherramientas axial. Todos los portaherramientas en la corredera transversal y los portaherramientas de extremo avanzan en forma simultánea a la pieza de trabajo para producir una pieza terminada por cada revolución del husillo.

FIG. 4.3-1 Máquina típica de un husillo para hacer tornillos. (Cortesía: Wickman Corporation.)

PRODUCTOS DE MÁQUINA PARA HACER TORNILLOS

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Se puede incluir una combinación cualquiera de unas 32 diferentes operaciones de corte o de forma en las herramientas de las máquinas antes descritas. La cantidad de trabajo que se efectúe sólo está limitada por el número de posiciones disponibles para las herramientas y por la habilidad del ingeniero diseñador de herramientas. Esas operaciones incluyen torneado con buril y forma, cepillado, biselado (achaflanado), barrenado, escariado, abocardado, taladrado, rebajado, machuelado, formado de roscas con buril o con terraja, rolado de roscas, moleteado y bruñido. Los aditamentos especiales permiten efectuar las siguientes operaciones: ranurar, fresar, brochar, punzonar, recalcar y marcar impresiones. Las máquinas de los tipos suizo y de un husillo se pueden equipar con un aditamento extractor que permite mantener estacionaria la pieza de trabajo después del corte mientras un cortador rotatorio auxiliar produce ranuras para destornillador, planos, agujeros transversales u otras características que no se logran cuando la pieza de trabajo está en rotación. Las máquinas de husillos múltiples suelen tener un husillo que se puede detener para efectuar esa clase de operaciones con un cortador rotatorio en un husillo portaherramientas auxiliar.

Características usuales Las piezas de las máquinas automáticas para hacer tomillos se pueden reconocer (aunque no siempre) porque son cilindricas y pueden tener varios diámetros exteriores, así como una porción hexagonal o cuadrada. Pueden o no estar roscadas en uno o ambos extremos y tener un agujero axial interno de más de un diámetro. Es posible que el agujero esté biselado y machuelado. Las roscas pueden ser de diferentes tamaño y paso en cada extremo de la pieza y ser extemas e internas a la vez. El moleteado se especifica para muchas piezas de máquina para hacer tomillos y se utiliza para sujetar tuercas y perillas cilindricas con los dedos, sujetar un inserto en material de plástico o fundido en molde de presión o en el ajuste de interferencia a fin de introducir una pieza en otra pieza. Los diámetros de las piezas de máquinas para hacer tomillos van desde piezas diminutas para relojes de pulsera hasta unos 200 mm (8 in). Las longitudes pueden ser desde 1 mm (0.040 in) hasta de 1 m (3.3 ft). Las características que, por lo general, se pueden incorporar en las piezas de máquinas para hacer tornillos sin operaciones secundarias incluyen escalones y conos internos y externos, agujeros axiales con avellanados y rectificado de agujeros, así como roscas internas, externas, formas externas complicadas (con herramientas de forma), moleteado, agujeros transversales, ranuras, caras planas para llaves de tuercas, ranuras interiores, rebajos y agujeros trepanados. Se pueden tornear superficies excéntricas si se utilizan platos o chuck de mordazas o boquillas adecuados. Se pueden tornear piezas a partir de material tubular o barra maciza. Las marcas circunferenciales se pueden laminar en la pieza de trabajo. Las siguientes características por lo general, aunque no siempre, requieren operaciones secundarias: agujeros no redondos, marcas en los extremos o planos, agujeros transversales escariados o machuelados, ranuras axiales, dientes de engranes o estrías, tratamiento térmico y rectificado de superficies. Las superficies pulidas (bruñidas) con rodillo se pueden producir en las máquinas para hacer tornillos, pero la electrodeposición u otros tratamientos de superficies requieren operaciones secundarias.

Aplicaciones usuales Las piezas hechas con máquinas automáticas para hacer tornillos tienen muchas aplicaciones en la actualidad. Las máquinas suizas producen ejes y piñones para instrumentos y el sujetador de la bola en los bolígrafos; también se producen contactos para calculadoras eléctricas, pasadores, válvulas y otras piezas pequeñas. Las máquinas de un husillo y de husillos múltiples se emplean para producir una gran variedad de piezas con tolerancias precisas, que incluyen remaches (roblones), tuercas, tornillos, pernos roscados (bulones) y otros sujetadores. Asimismo, ejes, espaciadores, arandelas (rondanas), conexiones para mangueras y tubos, vástagos de válvulas, poleas, bujes (casquillos), carretes, preformas de engranes, varillas de empuje, rodillos, insertos para plásticos y piezas fundidas a presión y preformas para herramientas de corte y calibradores de macho o cilindricos. En la figura 4.3-2 se ilustran algunos de estos productos típicos de las máquinas para hacer tomillos.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.3-2 Las piezas de máquina para hacer tornillos como las ilustradas se emplean cotidianamente en la elaboración de muchos productos. (Cortesía: National Screw Machine Products Association.)

Cantidades económicas para producción Las máquinas automáticas para hacer tornillos se han utilizado para producir menos de 100 unidades de una pieza particular. Los especialistas en la preparación de estas máquinas suelen utilizarlas para esos lotes pequeños en especial si una pieza es similar a las otras que se producen normalmente o si se utilizan las mismas herramientas. Sin embargo, por lo general, las máquinas automáticas para hacer tornillos se utilizan para producción en gran cantidad cuando se requieren cientos de miles e incluso millones de piezas. TABLA 43-1 Materiales de libre maquinado recomendados para piezas de máquina para hacer tornillos Clasificación de facilidad Especificación _______________ de maquinado ____ Magnesio Magnesio Aluminio Aluminio Latón Zinc

ASTM AZ-61 ASTM AZ-91 2130F (C113-F) 2017-T4,2011-T3 Alto plomo (342) ) ASTM AG40A

Latón Bronce fosforado Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono

Mediano plomo (340) FC 544 12L14 C1212 C1119 C1114

500 500 400 300 220 200 180 180 105-195 100 90 75

*Todos los materiales tienen clasificación de "excelentes" para el acabado de superficie.

PRODUCTOS DE MÁQUINA PARA HACER TORNILLOS

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El volumen de producción varía según el tamaño de la pieza, la cantidad de material que se va a remover y la facilidad de maquinado del material de la pieza de trabajo. Las máquinas de husillos múltiples producen mayor volumen porque se pueden maquinar varias piezas a la vez. El tiempo de mano de obra del operario por pieza es mucho menor que el tiempo de máquina, debido a que ésta se emplea para diversos trabajos. Un operario puede atender 4 o más máquinas de un solo husillo y, a veces, se le pueden asignar 10 o más. Por lo general, se asignan dos o más máquinas de husillos múltiples a cada operario. Por tanto, los costos de mano de obra por unidad son muy bajos en las piezas de máquinas para hacer tornillos. Los tiempos de preparación son de menos de una hasta ocho h, según la complejidad de la pieza, que determina el número y clase de herramientas requeridas y la necesidad de alterar las levas disponibles para el avance. El herramental requerido consiste en varias herramientas de corte, a veces incluye herramientas de forma o fresas especiales, levas alimentadoras, boquillas (si se utiliza una barra de forma especial) y calibradores para verificación. En comparación con los costos de herramental de otros métodos de producción en masa, los de las máquinas para hacer tomillos son bajos. Las máquinas de husillos múltiples requieren más herramientas que las de un husillo; pero el costo adicional se recupera cuando las cantidades de producción son suficientemente grandes.

Materiales adecuados Las piezas de las máquinas para hacer tornillos se pueden hacer con cualquier material maquinable disponible en forma de barras. Se han procesado metales ferrosos y no ferrosos, plásticos y otros materiales orgánicos. Los materiales especificados para producción con máquinas automáticas para hacer tomillos deben ser estables en las condiciones normales de temperatura y humedad. Se prefieren los aceros de libre maquinado en las series 1100 y 1200 y también los grados con aleación de emplomado. Se prefiere el material estirado en frío al laminado en caliente. Para piezas de cobre se prefieren las aleaciones de dureza media o las recocidas de mayor dureza; en el aluminio se producen mejores acabados con las aleaciones de temple duro. La facilidad de maquinado es un factor importante en el costo de los productos de las máquinas para hacer tornillos. Los costos mínimos suelen estar en relación con la calidad de maquinado de un metal base o aleación particulares, aunque esa calidad tenga un precio más elevado. Los datos de la facilidad de maquinado y otras propiedades de materiales metálicos y no metálicos se encuentran en la sección 2 de este Manual, en la cual los datos de facilidad de maquinado se aplican también a los productos de máquina para hacer tomillos. Consúltese en la tabla 4.3-1 un resumen de algunos materiales de máxima facilidad de maquinado para trabajo en máquinas para hacer tornillos.

Recomendaciones para diseño Tamaño y forma del material estándar. Los tamaños y tolerancias de las barras estándar a menudo se aprovechan con ventaja al diseñar para producción con máquinas para hacer tornillos. El diámetro más grande de una pieza debe ser, si es posible, el mismo que el de la barra, para ahorrar material y reducir el maquinado. Es preferible utilizar las barras de tamaño y forma estándar en vez de diámetros y formas especiales. Forma y complejidad de la pieza básica. Aunque las herramientas con formas complejas para superficies externas y rebajos en las superficies internas cuestan poco más que las más sencillas, es aconsejable, hasta donde sea posible, hacer un diseño lo más sencillo que se pueda en las piezas para máquina para hacer tornillos. Cuantas menos estaciones de herramienta se requieran y cuantas menos características se deban maquinar y calibrar, menor será el costo de la pieza a la larga. Se deben emplear herramientas estándar lo más posible. El diseñador debe especificar tamaños estándar y comunes para agujeros, roscas de tomillos, ranuras, moleteaduras, etc., a fin de emplear herramientas y calibradores de fácil disponibilidad en vez de los de fabricación especial. Evitar operaciones secundarías. Los productos de máquina para hacer tornillos se deben diseñar, hasta donde sea posible, para que estén terminados al desprenderlos del material de barra.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.3-3 Las piezas de máquina para hacer tornillos se deben diseñar de modo que, si es posible, se puedan producir completas en la máquina sin maquinado posterior. Todas las piezas ilustradas a la izquierda se deben volver a montar para maquinarlas en el lado izquierdo. Si no se pueden evitar las operaciones secundarias, habrá que tratar que sean mínimas. Si se requieren ranuras, planos u otras superficies que no se pueden generar con la rotación de la barra, hay que diseñarlos a fin de poder maquinarlos mientras la pieza está sujeta en el aditamento extractor. Esas superficies deben ser pequeñas para no necesitar cortes fuertes. Al igual que muchas de las otras características de las piezas y especialmente las superficies internas y roscas de tornillo se deben situar solamente en un extremo de la pieza, de tal manera que todo el maquinado se pueda hacer sobre la máquina para hacer tornillos antes del corte. Formas externas. Hay límites en la longitud de las zonas formadas que se pueden obtener en la práctica con una herramienta formadora. Como se ilustra en la figura 4.3-4, la longitud de esa zona, por lo general, no debe exceder de 2.5 veces el diámetro mínimo de la pieza de trabajo. Las paredes de las ranuras y otras superficies perpendiculares al eje de la pieza de trabajo deben tener una ligera conicidad, que impedirá las marcas de herramienta cuando se retire ésta de la superficie maquinada. La conicidad recoHerramienta de forma --------- , mendada es de 1/2° o más (Fig. 4.3-5). ____ Cua ndo la pieza se produ ce con ba rra s cuadradas o hexagonales, hay que tener cuidado con los diámetros torneados que sean de la misma dimensión que la distancia entre las caras planas opuestas de la barra. Las variaciones pequeñas en el tamaño o concentocidad del material producirán una superficie que no será del todo cilíndrica. La mejor solución es diseñar la superficie torneada par que sea alrededor de 0.25 mm (0.010 in) o más pequeña que el tamaño del material. La pieza también se debe diseñar de modo que la herramienta de forma no sea frágil. Por FIG. 4.3-4 Limitación de anchura en la herra- ejemplo, hay que evitar ranuras profundas y mienta de forma. estrechas, esquinas agudas, etc.

PRODUCTOS DE MÁQUINA PARA HACER TORNILLOS

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FIG. 4.3-5 Las paredes y caras de extremo a un ligero ángulo desde la perpendicular evitan marcas de herramienta al retirar ésta. Rebajos (socavaciones). Debido a que las correderas estándar para herramientas en las máquinas para hacer tomillos trabajan en ángulo recto con el eje de la pieza de trabajo, es difícil producir un rebajo angular, interno o externo, y hay que evitarlo siempre que sea posible (Fig. 4.3-6). Es más fácil formar ranuras anulares en la superficie externa de la pieza, que un rebajo o ranurado interno. Las ranuras externas se pueden incluir en las herramientas de forma. Los rebajos internos requieren herramientas con recorrido axial y transversal. Si es posible la elección, diséñense las piezas para que incluyan ranuras externas como se ilustra en la figura 4.3-7. Agujeros. La forma del fondo de un agujero ciego debe ser la que se produce con la punta de una broca estándar (Fig. 4.3-8c). Cuando se necesitan agujeros con fondo plano, se debe emplear una punta de broca como la ilustrada en la figura 4.3-8b, de preferencia de 3 mm (0.120 in) de profundidad. Aunque se pueden proveer agujeros pro-. fundos y estrechos, es preferible limitar la profundidad de los agujeros ciegos a entre 3 y 4 veces del diámetro. FIG. 4 3-6 Empléense los rebajos que se puedan obtener con el movimiento transversal, axial (o ambos) de la herramienta en vez del movimiento angular. (Banda en Fig.12,Rupert Le Grand Manufactunng Engineers Manual, McGraw-Hill, Nueva York, 1971, p. 128.)

Roscas de tomillo. Las roscas internas y externas son muy comunes en los productos de la máquina para hacer tornillos. En el capítulo 4.8 se encontrará* las recomendaciones de diseño para las roscas de tornillo. Se prefieren las roscas laminadas en vez de las cortadas en las piezas de la máquina para hacer tornillos y hay que diseñarlas en consecuencia. En la figura 4.3-9 se ilustran algunas recomendaciones de diseño para evitar las rebabas cuando las roscas cruzan otras superficies. Maleteado. Las zonas moleteadas deben ser estrechas; su anchura no debe ser mayor que su diámetro.

FIG. 4.3-7 Las ranuras externas se pueden hacer en las piezas de máquina para hacer tornillos con menor costo que las ranuras internas.

4-28

COMPONENTES MAQUINADOS

F1G. 4.3-8 Los fondos de los agujeros son más económicos si se utilizan ángulos de la punta de brocas estándar. Si se requieren fondos planos, se debe tolerar cierto corte de la punta de la broca en el centro.

Con el moleteado no se puede producir un número exacto de dientes o estrías, por lo cual en una nota de plano típico se especifica un número aproximado de dientes por pulgada o el tamaño general del moleteado (grueso, mediano, fino), su tipo (recto, diagonal, romboidal) y el empleo a que se destina (para agarrarla con los dedos, ajuste o presión) como orientación para el operario. Esquinas agudas. Evítense las esquinas agudas en el diseño de piezas de máquina para hacer tornillos, pues ya sean internas o externas, producen debilitamiento o una fabricación más costosa de las herramientas de forma. Cuando se requiere una esquina aguda, se puede producir dentro de límites especificados que suelen ser lo bastante precisos para cumplir con los requisitos funcionales de la pieza. Cuando aparecen esquinas agudas indeseadas, se les puede dar una ruptura de esFIG. 4.3-10 Los rebajos producen espacio en quinas comercial de 0.4 mm (1/64 in) por 45°. las esquinas, si se desea, con menos problemas Se pu ede produ cir u na esquina interna que las esquinas agudas. aguda si se provee un rebajo en ella, lo cual

PRODUCTOS DE MÁQUINA PARA HACER TORNILLOS

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FIG. 4.3-11 Háganse los extremos esféricos con radios grandes para evitar problemas de incorporar superficies formadas con cortadores diferentes. eliminaría el radio inevitable producido por la herramienta formadora en esta intersección (Fig. 4.3-10). Extremos esféricos. Cuando se requiere con extremo esférico en una pieza de máquina para hacer tornillos, es preferible que el radio del mismo sea mayor que el de la parte cilindrica contigua. Con esto se elimina la necesidad de incorporar dos superficies que, quizá, no estén absolutamente concéntricas y que se suelen formar con herramientas separadas (Fig. 4.3-11). Ranuras y planos. Se pueden producir con una superficie cóncava en el fondo o en el extremo y su radio de curvatura será el mismo que el de la fresa utilizada. Con el avance transversal de la fresa, se puede lograr un fondo o extremo planos. Si 1:1 función de la pieza no requiere superficie plana, déjese una superficie cóncava, que es más ¡"icil de producir (Fig. 4.3-12). Marcas. Se pueden producir marcas en las piezas de máquina para hacer tornillos como parte de la operación básica si se aplican marcas con rodillo como se ilustra en la figura 4.3-13c. Otras posiciones de la marca requieren operaciones secundarias. Secciones transversales especiales. Cuando las cantidades de producción son suficientemente grandes y la configuración de la pieza que se va a producir es la adecuada, los diseñadores deben pensar en el empleo de barras de conformación especial, que se pueden laminar, estirar o extruir

FIG. 4.3-12 Permítanse los fondos curvos en las ranuras y caras planas, si es posible.

4-30

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.3-13 Las marcas de impresión se deben ubicar para utilizar marca de rodillos como parte de la operación básica.

en la forma que conviene a la pieza acabada. Si es necesario, se utilizan boquillas en la máquina automática para hacer tomillos que puedan recibir la sección transversal de la barra.

Recomendaciones para los planos Acotaciones. Cuando se señalan las dimensiones en un plano, utilícese una línea o superficie común de referencia para todas las dimensiones, excepto los diámetros. Hay que comprobar que todas las distancias estén bien acotadas. Inclúyanse las relaciones dimensionales para concentricidad, excentricidad (si la va a haber), encuadramiento, angularidad y acabado de superficie. Se debe mencionar una aspereza mensurable para la superficie. Si una superficie se va a utilizar como asiento, se debe anotar. Las profundidades de los cuneros (chaveteros) se deben especificar desde el lado de la pieza opuesto al cunero, porque así es más fácil medirlas (Fig. 4.3-14). Para especificar una cara plana, se utiliza el mismo método. Cuando se requiere una concentricidad específica para una superficie roscada, hay que comprobar que los límites para concentricidad tienen en cuenta los límites de tolerancias de las roscas.

FIG. 4.3-14 A es la acotación preferida para mostrar la profundidad del cunero (chavetero). La profundidad no se puede medir desde el centro superior de la pieza porque se ha removido material.

FIG. 4.3-15 La acotación preferida para los rebajos internos se ilustra en C. Las vistas A y B muestran dimensiones difíciles de medir.

PRODUCTOS DE MÁQUINA PARA HACER TORNILLOS

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TABLA 43-2 Tolerancias recomendadas para piezas de máquinas para hacer tornillos

Operación Taladrado (incluso taladrado transversal y axial) Escariado o rimado (incluye escariado transversal) Esanchado de agujeros

Tolerancia comercial, mm (in)

Acabado comercial de superficie, ym (pin)

±0.075(10.003)

1.6-3.1(63-125)

±0.025 (±0.001)

0.8-1.6(32-63)

±0.10 (±0.004)

1.6-3.1(63-125)

Ranurado (socavación) Machuelado (incluso machuelado con rodillo) Ensanchado de agujeros Brochado Desbastado Afinado

±0.25 (±0.010) Clase 2

1.6-3.1(63-125)

±0.025 (±0.001) ±0.15 (±0.006) ±0.13 (±0.005) ±0.05-0.13 (±0.002-0.005)

1.6-3.1(63-125) 0.8-1.6(32-63) 1.6-3.1(63-125) 0.4-1.6 (16-63)

Desbastado con herramientas de forma

±0.13 (±0.005)

Afinado con herramientas de forma

Cepillado con rodillos Ahusamiento Roscado con terraja Roscado con buril

±0.025-0.05

(±0.001-0.002) ±0.025 (±0.001) ± 0.025-0.05 (±0.001-0.002) Clases 2 y 3 Clase 3

1.6-3.1(63-125) 0.4-1.6(16-63)

0.4-1.6 (16-63) 0.2-0.8 (8-32)

Roscado con rodillos Ranurado

Clases 2 y 3 ±0.13-0.25 (±0.005-0.010)

Otro fresado

±0.13 (±0.005)

1.6-3.1(63-125)

Pulido (bruñido)

±0.013 (±0.0005)

0.15-0.25(6-10)

1.6-3.1 (63-125)

En ocasiones, se dan dimensiones incorrectas a los rebajos internos. La clave para la acotación correcta es el empleo del eje común de la pieza como línea de referencia (Fig. 4.3-15). Conicidades. El método preferido para señalar las dimensiones de conicidades internas y extemas es especificar los diámetros en los extremos y la longitud, no el ángulo, de la conicidad. Sin embargo, cuando la superficie cónica llega hasta el extremo de la pieza, se puede biselar (achaflanar) o redondear ese extremo para eliminar un borde agudo. Esto ocasiona un problema para la medición, porque se habrá eliminado el diámetro que se iba a medir.

Recomendaciones para tolerancias En la tabla 4.3-2 se presentan las tolerancias dimensionales recomendadas para productos de má quina para hacer tomillos.

CAPÍTULO 4.4

Otras piezas torneadas Theodore W. Judson GMI Engineering and Management Institute Flint, Michigan

Procesos" para torneado Características y aplicaciones usuales Cantidades económicas para torneado Materiales adecuados para tornear Recomendaciones para diseño Control dimensional en el torneado

4-34 4-36 4-37 4-39 4-39 4-44

4-33

4-34

COMPONENTES MAQUINADOS

En este capítulo se incluyen dos clasificaciones generales de piezas: 1) piezas idénticas o similares a los productos de máquina para hacer tornillos del capítulo 4.3, cuando esas piezas se hacen con equipo que no sea esas máquinas, y 2) todas las demás piezas que requieren torneado u otras operaciones que se efectúan en tornos y máquinas del tipo de torno.

Procesos para torneado El torneado es una operación convencional para remoción de material que produce superficies por rotación en la pieza de trabajo. Igual que con otras operaciones de maquinado, con el torneado se remueve el material por el proceso de corte o cizallamiento para producir la forma, tamaño y acabado de superficie deseados. Se suele efectuar al hacer que las herramientas de corte, de diferente configuración y que trabajan en forma separada o simultánea, se muevan en una trayectoria precisa con respecto a una pieza de trabajo en rotación. Las piezas de trabajo que por lo general son de metal en forma de barras, tubos, piezas fundidas y forjadas, se sujetan por medio de platos, boquillas y puntas. La pieza de trabajo gira en torno a su eje central y a la línea de centros del husillo de la máquina. En la figura 4.4-1 se ilustran las colocaciones comunes de las herramientas de corte para tomos, en operaciones que incluyen refrentado, desvastado, torneado cónico, ranurado, recorte y roscado (el roscado con buril se ilustra en la figura 4.4-1; en el capítulo 4.8 se describen otras operaciones de corte de roscas internas y externas efectuadas en tornos). También se ilustra el torneado con trazadora (torneado de formas descrito en el capítulo 4.3 también es común), taladrado, escariado (rimado) y rectificado de agujeros. En el torneado con trazadora, el buril, mientras recorre la pieza de trabajo, se mueve hacia dentro y afuera en respuesta al movimiento de un estilete que se apoya contra una plantilla o una pieza maestra. Después de una o más pasadas, la forma de la plantilla se reproduce en la pieza de trabajo (Fig. 4.4-2). Hay una gran variedad de tornos y el más sencillo y básico es el torno horizontal (Fig. 4.4-3). La acción de la herramienta es paralela y transversal al eje de rotación. En casi todos los casos, las herramientas de corte son de montaje individual o en una torreta para herramientas en una corredera transversal, y se utilizan por orden conforme avanza el trabajo. El material en forma de tubos o barras se puede pasar a lo largo del husillo hueco y sujetarlo

FIG. 4.4-1 Operaciones básicas que se efectúan en los tornos.

OTRAS PIEZAS TORNEADAS

4-35

FIG. 4.4-2 Aditamento trazador mecánico. (Cortesía: Hardinge Brothers, Inc.) con un plato (chuck) o con puntas. Las piezas de trabajo irregulares, como las fundidas y forjadas, se suelen sujetar con platos (chucks). Los tamaños de los tornos horizontales varían en capacidad de volteo de 150 mm (6 in) a 1.5 m (60 in) y longitudes de bancada desde 1 m (40 in) hasta 15 m (50 ft). Los tornos tienen movimiento automático del carro y de la corredera transversal. El torno de banco es un tipo más pequeño de torno horizontal y se considera más adecuado para piezas de trabajo pequeñas y ligeras. El torno para herramentista o para taller

4-36

COMPONENTES MAQUINADOS Controles de avance lento para preparación

Plato

Pieza de trabajo

Torreta lateral de ocho posiciones

Exhibición de datos

Consola de control conCNC

de st is posiciones

Recipiente para virutas

FIG.4.4-4 Torno con control numérico o por computadora. (Cortesía: Jones & Lamson, Waterbury Farrel Division of Textron, Inc.) mecánico es similar al torno horizontal, pero está construido con especificaciones más precisas. Suele tener una gama amplia de velocidades y avances. En el torno revólver (de torreta), llamado a veces máquina manual para hacer tornillos, las herramientas de corte se pueden seleccionar, preajustar y montar en una torreta hexagonal fija en un carro y, éste a su vez, montado en la bancada del torno. El carro puede ser motorizado, e incluye un mecanismo para alinear la torreta. La corredera transversal tiene una torreta de cuatro posiciones, de alineación rápida, y un portaherramientas montado en la parte trasera. Hay disponibles topes de acción directa para todas las herramientas de corte; pero en los tornos que no tienen control automático, por computadora o numérico, el operador es el que debe accionar las herramientas. La capacidad del plato de boquilla es entre 4.8 y 110 mm (3/16 a 4-1/2 in). La capacidad máxima del plato es de 250 a 380 mm (10 a 15 in). Los aditamentos para alimentación de barras son comunes. Además de los modelos con control manual, también hay con control automático. En la figura 4.4-4 se ilustra un torno de torreta del tipo carro. Los tornos con control por computadora o numérico tienen un control automático continuo de la trayectoria del movimiento de las herramientas. Los tornos pueden ser horizontales, de banco o de torreta y este último, a veces, incluye la capacidad para contorneado completo con dos torretas de seis estaciones. Una torreta de montaje lateral sustituye a la corredera transversal de un tomo estándar de torreta. El torno controlado por computadora o con control numérico tiene la ventaja de la repetibilidad automática de la operación de maquinado; se almacenan en una memoria todas las instrucciones del proceso para su empleo posterior. Si se requiere, es posible modificar rápidamente las especificaciones de la pieza. Los tornos de plato (chuck) son similares a las máquinas automáticas para hacer tornillos, excepto que el maquinado se efectúa en una pieza de trabajo separada en vez de una barra. Las piezas de trabajo se introducen en un plato (o más platos si el torno es de husillos múltiples) y las herramientas colocadas en la corredera transversal y la torreta del extremo efectúan una serie de operaciones en forma automática. Los tornos de plato pueden ser horizontales y verticales como se ilustra en la figura 4.4-5.

Características y aplicaciones usuales Todas las piezas torneadas comparten una característica particular: tienen superficies maquinadas curvas que se producen durante la rotación de la pieza en torno a su eje. Fuera de esta

OTRAS PIEZAS TORNEADAS

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característica común, el tamaño, forma y material llegan a tener grandes variaciones. Las piezas de trabajo pueden variar en tamaño desde componentes diminutos de una válvula de aguja, que pesan unos cuantos gramos, hasta enormes rodillos torneados que pesan muchas toneladas. Salvo porque se producen menores cantidades, las piezas hechas a partir de barras en tornos de banco, horizontales y de torreta tienen las mismas características que las piezas de máquinas para hacer tornillos descritas en el capítulo 4.3. El torneado es una operación mayor de maquinado. Aparte de las piezas de máquinas para hacer tomillos, sus aplicaciones más comunes son en operaciones secundarias en piezas de trabajo producidas con otros procesos. (Las operaciones secundarias en las piezas de máquinas para hacer tornillos también son muy comunes.) Si se requieren superficies de precisión cuando alguna zona tiene forma redonda, es muy posible que se emplee el torneado. Esto es más común cuando esa superficie hace contacto con una pieza movible o se utiliza para sellamiento. El torneado se puede emplear también cuando la operación primaria no produce la configuración deseada, por ejemplo, cuando se requieren rebajos o ranuras anulares en piezas recalcadas en frío o hechas de polvo de metal. Entre las clases de piezas que requieren torneado con más frecuencia están las piezas fundidas de diversos tipos, las forjadas, las extraídas, los ensamblajes soldados o con soldadura fuerte o dura y las piezas no metálicas moldeadas. Aunque por lo general superficies de revolución internas y externas son típicas, se pueden producir superficies planas en muchas piezas mediante el refrentado. Una limitación para el torneado es que la pieza de trabajo debe girar, lo cual impone limitaciones al tamaño, peso y configuración. Algunas piezas torneadas comunes producidas en diversos tomos son tambores y discos de frenos, piezas de válvulas, boquillas, tubo y conexiones de tubo (incluso Tes y codos), rodillos de diferentes clases, pistones, rotores de turbinas, cubos, cigüeñales y otros árboles, pasadores y ejes, cañones de armas y manijas. En la figura 4.4-6 se ilustran las piezas típicas hechas en tornos y máquinas de plato (chuck).

Cantidades económicas para torneado Las operaciones de torneado se emplean para cantidades de producción desde una hasta millones de piezas. Cuando las cantidades de producción lo hacen aconsejable o las especificaciones de las piezas lo exigen, se puede variar el grado de mecanización del torneado desde

FIG. 4.4-5 Máquina vertical de plato, de doble husillo. (Cortesía: The Bullard Company.)

4-38

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.4-6 Piezas típicas hechas en máquina de plato. (Cortesía: The Bullard Company.) control manual, numérico, hasta por computadora o mecánico totalmente automático. Además, para complementar a las herramientas primarias de los tornos se puede integrar una automatización total del sistema, que incluye transportadores, mecanismos para carga y descarga, inspección durante el proceso, sondas para verificación y dispositivos de memoria. La cantidad de producción es el factor clave para seleccionar el torno. Mientras mayores sean las cantidades y más largas las corridas de producción, se puede asignar mayor capital a la automatización del equipo. El empleo creciente de sistemas automatizados significa una reducción en el costo de la mano de obra y en el espacio en el piso, así como mayor volumen de producción. Esto se puede traducir en menores costos, aunque el costo inicial del sistema sea más alto que para un sistema con mayor control manual. El análisis de costos individual para cada situación ayudará a determinar el grado de automatización más adecuado para las condiciones de maquinado. Los costos del herramental para piezas trabajadas en tornos de banco y horizontales suelen ser reducidos, porque manualmente se utilizan platos, herramientas de corte e instrumentos de medición estándar. Cuando el programa de producción requiere unidades múltiples, del orden de 10 a 25 o más, los tornos revólver (de torreta) empiezan a ser ventajosos. Los costos de herramental para estos tomos suelen ser casi tan bajos como para los tomos horizontales, si se emplean herramientas para uso general; pero más altos si se emplean herramientas de forma y escariadores y avellanadores especiales. Incluso con el herramental e instrumentos de calibración más completos y especializados, el herramental para tomos revólver (de torreta) tiene un costo reducido comparado con los de otros procesos, y bastante más bajo que para las máquinas para hacer tornillos. (Para una comparación de costos y tiempos de preparación entre máquinas para hacer tornillos y tomos revólver, véase el capítulo 1.2.) El funcionamiento con trazadora y el control numérico y con computadora, aunque permiten el funcionamiento automático del equipo para torneado, en la práctica reducen los costos de las herramientas. Los buriles, guiados para producir contomos especiales, sustituyen a los cortadores especiales (Fig. 4.4-7). En general, las operaciones en tomos se utilizan con más frecuencia para volúmenes de producción un tanto bajos. El volumen más económico para cada proceso se puede resumir como sigue: Tornos horizontales y de banco: cantidades muy bajas y bajas Tornos revólver (de torreta): cantidades bajas y medianas Tornos trazadores: cantidades bajas y medianas Tornos de control numérico o con computadora: cantidades bajas y medianas Máquinas con plato de un husillo: cantidades medianas y grandes Máquinas con plato de husillos múltiples: cantidades grandes y muy grandes

OTRAS PIEZAS TORNEADAS

4-39

Materiales adecuados para tornear Los materiales enumerados en el capitulo 4.3 como adecuados para máquinas para hacer tornillos, también se aplican para usarse en otro equipo para tornear. Las operaciones que se pueden efectuar son idénticas, aunque hay más preponderancia por los buriles en los tornos horizontales y de banco e incluso en los revólver (de torreta); en las máquinas para hacer tomillos se utilizan más las herramientas de forma. Además del material en barras utilizado en las máquinas automáticas para hacer tornillos, en los otros tornos se procesan piezas fundidas de diversas clases, piezas forjadas, extrusiones, piezas de polvo de metal y otras formas de materiales. Las propiedades que permiten maquinar estos materiales son muy similares a las de las barras. En la tabla 4.4-1 se clasifica la facilidad de maquinado de una serie de materiales en máquinas de tornear.

Recomendaciones para diseño Además de las recomendaciones enumeradas a continuación, consúltense los siguientes capítulos que tienen recomendaciones aplicables a las piezas torneadas: capítulo 4.3, "Productos de máquina para hacer tornillos", capítulo 4.5 "Agujeros redondos maquinados", capítulo 4.8 "Roscas de tomillos". Las siguientes son recomendaciones adicionales para diseño no incluidas en dichos capítulos, pero que se aplican a las piezas torneadas.

1. El diseño debe incluir la configuración geométrica estándar de las herramientas en las transiciones de diámetros, rebordes externos, ranuras y zonas biseladas. 2. En el diseño se deben minimizar las piezas de pequeño diámetro, delicadas y sin soportar, siempre que sea posible, para disminuir la flexión de la pieza con la herramienta de corte. A este respecto ayudará que las piezas sean lo más cortas posible. Las piezas cortas y un tanto gruesas son más fáciles de maquinar que las largas y delgadas, las cuales requieren apoyo en el contrapunto o mediante un soporte fijo (Fig. 4.4-8). 3. Hay que evitar, cuando sea posible, el diseño de una pieza que requiere cortes irregulares e interrumpidos. Las intersecciones con los agujeros, el taladrado en superficies curvas o inclinadas o la formación de agujeros o ranuras antes de tornear, son ejemplos de esta situación. 4. Cuando se diseñan piezas fundidas o forjadas con rebordes grandes u otras superficies que se deben refrentar, la superficie debe estar entre 2° y 3° fuera del plano normal al eje de la pieza. Esta inclinación permite el alivio de los filos en las herramientas de corte (Fig. 4.4-9). 5. Los radios, salvo que sean críticos para la función de la pieza, deben ser amplios y cumplir con las especificaciones estándar del radió de la nariz de la herramienta. A menudo, los radios están de acuerdo con la preferencia para la manufactura (Fig. 4.4-10).

4-40

COMPONENTES MAQUINADO?

TABLA 4.4-1 Clasificaciones de facilidad de maquinado de diversos materiales cuando se tornean con buril*

Material Acero Acero Acero Acero Acero

Especificación 1212 12L13 1010 1040 1070

Acero inoxidable 430F Acero inoxidable 316 Acero inoxidable 17-7PH Hierro fundido Hierro fundido

A 48, Clase 20 A 48, Clase 30

Hierro fundido

60-40-18

Condiciones y observaciones

Número de dureza Brinell

Clasificación

Estirado en frío,resulfurizado Emplomado, estirado en frío Estirado en frío Estirado en frío Estirado en frío

150-200 150-200 125-175 125-175 175-225

100 105 65 60 50

Libre maquinado, ferrítico Austenítico Edurecido por precipitación, forjado Ferrítico recocido Perlifico

135-185 135-185 150-200

55 40 40

120-150 190-220

80 45

140-190

80

75-150

325

40-100

405

10-70 Rb 40-150 40-90 80-170 80-100

150 215

Dúctul, ferrítico, recocido Aluminio 2024 Forjado, tratado en solución Aluminio 208.0 Según, si fue fundido en molde de arena o permanente Latón 280 Forjado, recocido Latón 934 Bronce dealtoplomo y estaño Magnesio AZ92A Según se fundió Níquel 200 Recocido o estirado en frío Zinc _________ | AG40A ________ Fundición a presión _______

430

60 175

*Velocidad de corte recomendada con herramientas de acero de alta velocidad y corte fuerte, comparada con la velocidad de corte del acero 1212 estirado en frío. La clasificación se expresa en porcentaje.

6. Especifíquese romper las esquinas agudas si el filo o las rebabas pueden ser peligrosos o desventajosos para la función de la pieza. El diseño de la pieza debe ser especifico en este aspecto, es decir, no se debe mencionar "Romper todas las esquinas", salvo que sea indispensable, pues estas operaciones son muy costosas. Se pueden minimizar las esquinas agudas y las rebabas si se producen biseles o superficies curvas en la intersección con otras superficies,

FIG. 4.4-8 Empléense piezas cortas y gruesas para minimizar la flexión.

OTRAS PIEZAS TORNEADAS

4-41

FIG. 4.4-9 Un alivio fundido o forjado en las superficies que se van a refrentar permite el juego para la herramienta.

FIG. 4.4-10 Evítense las esquinas agudas. Si es posible déjense las dimensiones de los radios a discreción del fabricante. como se ilustra en la figura 4.4-11. A menudo, esos biseles o curvas se pueden incluir en una pieza fundida o forjada sin costo adicional antes del maquinado. 7. El diseño de la pieza debe ser tal que se excluyan las líneas divisorias, ángulos de conicidad y rebaba de forja en las superficies utilizadas para sujetar o guiar la pieza (Fig. 4.4-12). 8. Cuando una pieza se va a tornear con trazadora, el contorno torneado debe ser tal que sea fácil trazarlo con un número mínimo de cambios en el estilete y en la herramienta .de corte. Las ranuras con paredes laterales paralelas o inclinadas no se pueden hacer en una sola ope ración y hay que- evitar los rebajos. En la figura 4.4-13 se ilustran los contornos factibles para una herramienta de corte y estilete inclinados a un ángulo de 55° desde el eje de la pieza. En la figura 4.4-14 se ilustran los contomos factibles cuando están perpendiculares con el eje.

FIG. 4.4-11 Las esquinas agudas y las rebabas se pueden minimizar si se incluyen biseles o superficies curvas en la pieza antes de maquinarla. El diseño a produce esquinas agudas después de maquinar. La forma b elimina las esquinas agudas y reduce la posibilidad de las rebabas.

FIG. 4.4-12 Evítense los diseños que requieran sujetar en las líneas divisorias o en las zonas de rebabas.

FIG. 4.4-13 Recomendaciones para diseño de torneado con trazadora cuando la herramienta de corte está a un ángulo de 55° con el eje de la pieza de trabajo.

FIG. 4.4-14 Recomendaciones para diseño de torneado con trazadora cuando la herramienta de corte está en ángulo recto con el eje de la pieza de trabajo. 4-42

4-44

COMPONENTES MAQUINADOS

Control dimensional en el torneado Como regla general, los limites dimensionales precisos para tornear están en relación inversa con el tamaño y longitud de la pieza de trabajo; cuanto mayores sean, más grande será la posible variación después de tornear. La construcción y el estado de conservación de la máquina también son importantes en el control de las variaciones en las dimensiones básicas en diferentes operaciones de torneado. El diseño y la construcción de la máquina deben permitir el control de alteraciones en el funcionamiento que pueden ocasionar variaciones entre las piezas hechas con el torno. El control de las alteraciones en el funcionamiento, como vibraciones, flexiones, deformación térmica y desgaste de las piezas funcionales de la máquina son factores críticos. La flexión de la pieza, el desgaste de las herramientas, la exactitud de los instrumentos de medición y la pericia del operario son otros factores. Otro es el hecho de que las herramientas cortan en el radio de la pieza; esto ocasiona que las desviaciones en el diámetro de la pieza sean el doble de grandes que las desviaciones en la posición de las herramientas de corte. El acabado de superficie es otra característica importante de todas las piezas torneadas. La calidad del acabado está en relación con los factores antes expuestos. Además, el acabado de superficie está en relación directa con la velocidad de avance; cuanto más fino sea el avance, mejor será el acabado. El filo, la configuración geométrica y el material de la herramienta son otros factores, además, el material de la pieza de trabajo también es importante. En general, las máquinas en buen estado de conservación y libres de vibraciones, con las herramientas de corte correctas y con materiales de gran facilidad de maquinado permiten un control de tamaño de máxima exactitud y muy buenos acabados de superficies. En la tabla 4.4-2 se especifican las tolerancias típicas de maquinado para tornos en buenas condiciones; esas tolerancias son valores promedio para piezas de diferentes diámetros. Si se tiene la debida atención a las condiciones de la máquina y las variaciones en las excéntricas, herramientas de corte y el trabajo de preparación, se pueden mejorar mucho las variaciones en las tolerancias comercialmente aceptables.

CAPÍTULO 4.5

Agujeros redondos maquinados

Procesos para maquinar agujeros Aplicaciones de operaciones de maquinado de agujeros Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Taladrado Rimado (escariado) Ensanchado Factores dimensionales Tolerancias recomendadas Avellanado Ensanchamiento parcial Taladrado y rimado tipo cañón Trepanado

4-46 447 4-47 4-48 4-49 4-49 4-51 4-51 4-52 4-53 4-53 4-55 4-55 4-55

4-45

4-46

COMPONENTES MAQUINADOS

Procesos para maquinar agujeros Hay diversos procesos de maquinado para hacer agujeros. Este capítulo se relaciona con los métodos convencionales tradicionales: taladrado, rimado (escariado), ensanchado, etc., y con el diseño de las piezas de trabajo para facilitar esas operaciones. El taladrado es un proceso de maquinado para producir o agrandar un agujero con una herramienta rotatoria de corte en el extremo, o sea una broca. El rimado (escariado) es un proceso relacionado con el anterior en el cual se agranda un agujero redondo ya hecho hasta un tamaño exacto (diámetro y rectitud) y se da un acabado fino por medio de una herramienta rotatoria de corte en el extremo, o sea una rima (escariador). En la figura 4.5-1 se ilustran algunas brocas y rimas típicas. Con las brocas, la anchura del corte de cada estría suele ser el diámetro de la herramienta; para rimar, sólo se remueve entre 0.13 a 0.38 mm (0.005 a 0.015 in) de cada lado del agujero. Las rimas se hacen funcionar a más o menos dos terceras partes de la velocidad de corte de las brocas del mismo diámetro, pero se las avanza alrededor de 50% más por revolución. En producción se utilizan guías o dispositivos para taladrar a fin de ubicar exactamente el agujero en la pieza de trabajo. Se utiliza un buje (casquillo) para guiar la broca. Las rimas se pueden avanzar a lo largo de un buje fijo a fin de ubicar el agujero con máxima precisión, pero en muchos casos sólo se dejan flotar y seguir el sentido y orientación del agujero taladrado. El ensanchado o rectificado de una operación de maquinado para agrandar un agujero mediante la remoción de metal con una herramienta de corte de una punta de montaje rígido. La pieza de trabajo o la herramienta giran en la línea de centro del agujero o se avanza la herramienta contra la pieza paralela con el eje de rotación. La rigidez del husillo y de la herramienta ensanchadora o rectificadora, no el efecto de guiado con un buje para taladrar o el agujero maquinado, determinan la exactitud del corte. Otros procesos que se utilizan para maquinar agujeros redondos son el trepanado y taladrado tipo cañón. El avellanado y el ensanchamiento parcial son operaciones secundarias en agujeros ya hechos. Estos procesos y sus aplicaciones se describen con mayor detalle más adelante. En capítulos posteriores se describen otros procesos para hacer agujeros, como esmerilado interno, corte con flama, electroerosión, maquinado químico y otros procesos modernos.

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

4-47

Aplicaciones de operaciones de maquinado de agujeros Los agujeros se maquinan en las piezas de trabajo siempre que con el método primario para producción (por ejemplo, fundición, forja, moldeo, extrusión, troquelado, etc.) no se producen los agujeros o no tienen el tamaño, exactitud, rectitud, acabado de superficie u otras características que requiere la función de la pieza. Los agujeros maquinados suelen desempeñar alguna función mecánica, por ejemplo, 1) servir como chumacera para un eje, pasador o árbol, con o sin un buje insertado o chumacera mecánica, o 2) producir el lugar y el soporte para un pasador, tornillo o perno de sujeción; en este caso, el agujero puede estar roscado. Los agujeros para despejo, o lubricación se pueden taladrar, pero casi siempre son fundidos, moldeados o punzonados si el proceso lo permite, porque sus dimensiones no son tan críticas. A continuación se resume la gama normal de dimensiones de agujeros maquinados con taladrado convencional (o con taladrado y rimado): Gama usual de diámetro: 1.5 a 38 mm (0.060 a 1.5 in) Diámetro mínimo (microbrocas del tipo de paleta): 0.25 mm (0.001 in) Diámetro mínimo (para rimar): 0.3 mm (0.013 in) Diámetro máximo: 150 mm (6 in) Profundidad máxima usual: 3 veces el diámetro Profundidad máxima práctica: 8 veces el diámetro Dureza del material taladrado: por lo general menor de R c 30 Dureza máxima: R, 50; rara vez hasta de Re 60 Los agujeros ensanchados de rectificados se hacen en componentes en donde se requiere gran exactitud del diámetro, ubicación, rectitud o sentido. Son más comunes para bajas cantidades de producción, que no justifican el empleo de dispositivos para taladrar y cuando el material es difícil de maquinar, lo cual hace más necesario maquinar con herramientas de punta de carburo. Las piezas típicas con agujeros ensanchados o rectificados incluyen cajas de engranes, brazos de máquinas de coser, chumaceras, cilindros hidráulicos, carcasas de bombas, portatroqueles para troquelado de metales, bastidores de máquinas herramientas y muchos otros componentes de máquinas. A continuación se resumen los limites dimensionales normales para agujeros ensanchados o rectificados: Diámetro mínimo: 2.5 mm (0.100 in) con herramienta de corte maciza, tipo cola de pescado Diámetro máximo: 1.2 m (48 in) o más en ensanchadoras verticales; limitado sólo por el tamaño máximo de la máquina disponible Dureza máxima del material: Rc 60 Profundidad máxima de barras ensanchadoras convencionales: 5 veces el diámetro Profundidad máxima de barras ensanchadoras macizas de carburo: 8 veces el diámetro

Cantidades económicas para producción El taladrado es la operación de maquinado más común y, quizá, la menos costosa en términos de volumen de metal removido por unidad monetaria. No hay límite inferior en la cantidad económica para producción, pues los taladros manuales de banco son económicos, muy adaptables y las herramientas de corte (brocas) se obtienen con facilidad. Para el trabajo con cantidades muy pequeñas, se puede utilizar el método tradicional de localizar, trazar y marcar con punzón la ubicación del agujero. Si la producción es de 100 o más o si se necesita gran exactitud en la ubicación, puede resultar económico construir un dispositivo con bujes para taladrar, cuyo empleo es el método común incluso para grandes volúmenes de producción. Para volúmenes de producción elevados y muy elevados, por ejemplo cantidades de 10 000 unidades o mayores, se pueden utilizar taladros de husillos múltiples como el ilustrado en la figura 4.5-2. Los diversos husillos, a menudo, tienen propulsión con uniones universales que permiten moverlos a nuevas posiciones cuando se cambia la colocación para el trabajo.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.5-2 Taladro de husillos múltiples para alta producción. (Cortesía: National Automatic Tool Co., Inc.) El trabajo en pequeñas cantidades se puede efectuar con una fresadora vertical, en la cual se mueve la mesa la distancia exacta para localizar los agujeros. Este método se suele utilizar para construir guías y dispositivos cuando hay que rectificar un agujero después de taladrar. El proceso se puede automatizar con máquinas con control numérico o con control por computadora y, por tanto, resulta económico para hacer desde una pieza hasta una cantidad moderada de ellas. Las operaciones de ensanchado o rectificado se efectúan a todos los volúmenes de producción. La máquina ensanchadora con plantillas se destina a hacer una pieza cada vez; pero hay máquinas de alta producción destinadas a un producto en particular. El ejemplo más conocido son las rectificadoras de los cilindros de los motores para vhículos.

Materiales adecuados Los materiales de fácil maquinado descritos en otros capítulos también son ventajosos para taladrarlos y otras operaciones para agujerar. La facilidad de maquinado no es tan importante para taladrar como para fresar, tornear, cortar engranes, etc., porque el taladrado es rápido. Muchas veces, el manejo y preparación de las herramientas requieren más tiempo que el taladrado. Sin embargo, cuando se va a taladrar y acabar un gran numero de agujeros con otras operaciones como rimado, avellanado y machuelado, la facilidad de maquinado es de máxima importancia.

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

4-49

Dado que es más fácil utilizar herramientas de corte con punta de carburo, cerámica y diamante cuando se ensancha un agujero, el procesamiento de material muy duro o difícil de maquinar no es un obstáculo tan serio como lo es para taladrar o rimar; aunque con estos materiales hay que reducir las velocidades y avances de la máquina en proporción a la menor facilidad de maquinado.

Recomendaciones para diseño Al igual que con otras operaciones de maquinado, la mejor forma de minimizar el costo de maquinado de agujeros es evitarlo. Si es posible fundir, moldear o perforar un agujero conforme a los requisitos funcionales de la pieza, es preferible hacerlo. Si se necesita un agujero maquinado, aunque el taladrado, en realidad, es una operación de desbastado, no hay que rimar o rectificar salvo que los requisitos de la pieza exijan mejor acabado y dimensiones más precisas, los cuales se logran con estas operaciones secundarías. Taladrado. Se recomiendan los siguientes métodos para diseño con agujeros taladrados: 1. La superficie de entrada de la broca debe estar perpendicular a ella para evitar problemas de taladrado inicial y asegurar que el agujero quede en su lugar (Fig. 4.5-3). 2. La superficie de salida de la broca también debe estar perpendicular a su eje para evitar problemas de rotura cuando la broca sale de la pieza de trabajo (Fig. 4.5-3). 3. Si la rectitud del agujero acabado es muy crítica, es preferible evitar los cortes interrumpidos, salvo que se pueda colocar un buje de guía en cada superficie de reingreso. Si la broca cruza otra abertura en un lado, ocurrirá cierta flexión. Aunque la rectitud no sea crítica, es importante que el centro de la punta de la broca permanezca dentro del material durante todo el corte para evitar flexiones fuertes y la posible rotura de la boca (Fig. 4.5-4). 4. Es preferible utilizar brocas de tamaño estándar, siempre que sea posible, para ahorrar el costo adicional del afilado especial de las brocas. 5. Se prefieren los agujeros pasantes a los agujeros ciegos, porque hay mayor despejo para las herramientas y virutas, en especial cuando se requieren operaciones secundarias, como rimado, machuelado o pulimento con piedras. 6. Cuando se especifican agujeros ciegos, no deben tener fondo plano. La broca preferida es la que genera un agujero puntiagudo; si se especifican otras configuraciones para el fondo, se requieren operaciones secundarias. Los agujeros con fondo plano o a escuadra también ocasionan problemas al rimar, pues las rimas tienen extremos cónicos y se necesita espacio para que caigan las virutas si se quiere evitar el desgaste y rotura de la rima (Fig. 4.3-8). 7. Evítense los agujeros profundos (de má s de 3 veces el diámetro) por los problemas de despejo para las virutas y la posibilidad de desviaciones en la rectitud (Fig. 4.5-10). Se debe tener en cuenta que aunque se pueden taladrar agujeros muy profundos (por ejemplo, los cañones de armas de fuego), requieren herramental, equipo y técnicas diferentes (véase "Taladrado y rimado tipo cañón" más adelante), que no son demasiado costosos si se tiene el equipo para taladrado tipo cañón, pero de todos modos son una operación especial, que se debe evitar si es posible.

FIG. 4.5-3 Las superficies de entrada y salida deben estar perpendiculares con la broca.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.5-4 Si los agujeros con aberturas que se cruzan son inevitables, es importante que el punto central de la broca permanezca dentro de la pieza en todo el corte.

FIG. 4.5-5 Marcar todos los agujeros desde la superficie, hasta donde sea posible,

8. Evítese diseñar piezas con agujeros muy pequeños si no son necesarios, porque las brocas pequeñas son más susceptibles de rotura. Un diámetro de unos 3mm (1/8 in) es el mínimo deseable para facilidad de producción. 9. Si se requieren agujeros grandes con acabado, es deseable tener agujeros de fundición en la pieza de trabajo antes de taladrarla. Esto ahorra material y se reduce la potencia requerida para taladrar. 10. Si la pieza requiere varios agujeros taladrados, se deben proyectar con dimensiones desde la misma superficie para simplificar el herramental (Fig. 4.5-5). 11. Se deben utilizar coordenadas rectangulares en vez de angulares para señalar la ubicación de agujeros taladrados, rimados y rectificados. Esto facilitará el trabajo y disminuirá la posibilidad de errores del mecánico de banco al trazar la pieza o preparar las herramientas (Fig. 4.5-6). 12. Hasta donde sea posible, diséñense las piezas de modo que todos los agujeros se puedan taladrar desde un lado o desde el mínimo de lados. Esto simplifica las herramientas y minimiza el tiempo de manejo y preparación. 13. Diséñense las piezas de modo que haya espacio para un buje o casquillo para taladrar cerca de la superficie en donde se comienza a taladrar el agujero (Fig. 4.5-7). 14. Hay que estandarizar (normar) el número de agujeros, sujetadores y otras roscas hasta donde sea posible, para minimizar el número de husillos en el taladro y el cambio de brocas. 15. Cuando las cantidades de producción son lo bastante grandes para justificar taladros múltiples, el diseñador debe recordar que hay limitaciones en la distancia mínima a que se pueden

FIG. 4.5-6 Las coordenadas rectangulares son preferibles a las coordenadas angulares para mostrar la posición de los agujeros en los planos.

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

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taladrar dos agujeros en forma simultánea. Los agujeros pequeños pueden estar más cercanos entre sí que los grandes, porque los engranes, portabrocas y bujes pueden ser más pequeños. Como regla empírica, para agujeros pequeños de 6 mm (1/4 in) o menos de diámetro, el espaciamiento no debe ser menor de 19 mm (3/4 in) de centro a centro, aunque en algunos casos es posible que sea de 13 mm (1/2 in). Rimado (escariado). Se recomiendan los siguientes métodos para diseño cuando hay que rimar: 1. Aunque es un buen método rimar con un buje de guía cuando la ubicación o la alineación del agujero son críticas, no hay que atenerse al rimado para corregir pequeñas discrepancias en ubicación o alineación, salvo que sean muy pequeñas. 2. Hay que evitar cruzar los agujeros taladrados y rimados, si es posible, para evitar prob l e m a s d e r o t u r a d e h e r ra m i e n t a s y d e eliminación de rebabas (Fig. 4.5-8). 3. Si se necesita rimar un agujero ciego, el método correcto requiere taladrar a mayor profundidad y así dejar espacio para las virutas (Fig. 4.5-9). Evítese esto

Ensanchado. Se recomiendan los siguientes métodos para diseño cuando hay que ensanchar o

FIG. 4.5-8 Evítese cruzar agujeros taladrados y rimados si es posible, rectificar:

1. Aunque se emplee el ensanchado, evítese diseñar agujeros con superficies interrumpidas. Los cortes interrumpidos harán que los agujeros queden ovalados y que haya vibración y desgaste de las herramientas. 2. Evítese diseñar agujeros con una relación profundidad:diámetro mayor de 4 o de 5:1; de lo contrario, se perderá la exactitud por la flexión de la barra rectificadora. (Si se tienen barras rectificadoras de carburo, son factibles las relaciones profundidad:diámetro hasta de 8:1). Si los agujeros profundos son invevitables, considérese el empleo de diámetros escalonados para limitar la profundidad de la superficie ensanchada (Fig. 4.5-10). 3. Hay que diseñar agujeros pasantes siempre que sea posible. Si los agujeros deben ser ciegos,

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.5-10 Evítense los agujeros profundos y estrechos como en a. La profundidad de los agujeros taladrados no debe ser mayor de 3 veces el diámetro; en los agujeros ensanchados, puede ser hasta de 5 veces el diámetro. Se pueden hacer agujeros más profundos pero ocasionan problemas de flexión y rotura de herramientas. Para agujeros profundos y estrechos, considérense diámetros escalonados como en c. la parte en bruto de los mismos debe ser más profunda que la parte ensanchada en una cantidad igual a, cuando menos, una cuarta parte del diámetro del agujero (Fig. 4.5-11). 4. Recuérdese que, excepto para un pequeño número de agujeros de diámetro especial, el ensanchado es más costoso que taladrar y rimar. El equipo es más costoso y el trabajo es más lento. El ensanchado sólo se debe emplear si la exactitud lo exige. No hay que especificar tolerancias para los agujeros ensanchados, salvo que sean realmente necesarias. 5. Para el ensanchado, igual que cualquier otra operación de maquinado de precisión, la pieza debe estar rígida a fin de evitar la flexión o la vibración resultantes de las fuerzas del corte. También hay que tener cuidado con el diseño de la pieza de trabajo y los dispositivos para evitar la flexión de la pieza cuando se sujeta al dispositivo, pues si ocurre, las superficies maquinadas quedarán fuera de su lugar cuando la pieza se recupere por acción elástica desde su posición sujeta.

Factores dimensionales El filo correcto de las brocas es, quizá, el factor más importante entre los que influyen en la exactitud del diámetro y la rectitud de los agujeros taladrados. Según como se haya afilado una broca, puede cortar en sobremedida o en bajomedida. El juego y la falta de rigidez en el husillo típico son otro factor importante. Si se emplea o no un buje para taladrar, también se refleja en la exactitud del agujero taladrado. Los bujes tienden a reducir el abocardamiento de los agujeros y la tendencia de las brocas a cortar en sobremedida. Aunque las brocas comerciales en espiral tienen un diámetro un poco menor que el nominal, la variación usual en el diámetro de los agujeros taladrados es hacia la sobremedida. Las tolerancias en más en los agujeros taladrados son mayores que las tolerancias en menos. La dilatación térmica del material que se va a taladrar es otro factor en el diámetro de los agujeros con tolerancias muy precisas. Los materiales con alto coeficiente de dilatación,

FIG. 4.5-11 Los agujeros ciegos que se van a ensanchar deben tener una cuarta parte de su diámetro de profundidad más que el agujero ensanchado terminado para dejar espacio para las virutas.

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

4-53

TABLA 45-1 Tolerancias recomendadas para diámetros agujeros taladrados Diámetro del agujero, mm (in) 0 a 3 (0 a 1/8) Más de 3 hasta 6 (1/8 hsta 1/4) Más de 6 hasta 13 (1/4 a 1/2) Más de 13 hasta 25 (1/2 a 1) Más de 25 hasta 50 (1 a 2) Más de 50 hasta 100 (2 a 4)

Tolerancia recomendada, mm (in) +0.08, -0 .025 ( + 0 .003, -0 .001) + 0 .1 , -0 .0 2 5 (+ 0 .0 0 4 , -0 .0 0 1 ) +0.15, -0 .025 ( + 0 .006, -0 .001) +0.2, -0 .05 ( + 0 .008, -0 .002) +0.25, -0 .08 ( + 0 .010, -0 .003) +0.3, -0 .1 ( + 0 .012, -0 .004)

como el aluminio, se pueden expandir por el calor de la fricción al taladrar y, cuando se enfrían, se contraen a un diámetro menor que el de la broca. Para rimar, el taladrado influye en la ubicación y sentido del agujero, aunque se utilice un buje para rimar. Cuando se efectúa ensanchado de precisión, por ejemplo, ensanchado con guía o plantilla, hay muchos factores que se vuelven importantes, no porque se trate del propio ensanchado, sino por la alta precisión que se suele requerir. Los cambios en la temperatura de la pieza de trabajo debidos al calor generado con los cortes o por otras causas, se pueden reflejar en la exactitud de los agujeros ensanchados. La deformación de la pieza de trabajo al sujetarla para el trabajo, también puede constituir un problema. Las condiciones mecánicas y la rigidez tanto de la máquina como de la barra rectificadora son muy importantes en el trabajo de rectificación con guía o plantilla.

Tolerancias recomendadas En las tablas 4.5-1 hasta 4.5-4 se presentan las tolerancias dimensionales recomendadas para agujeros taladrados, rimados y ensanchados. Los datos para tolerancias en el acabado de superficie se encuentran en el capítulo 1.4.

Avellanado El avellanado es una operación relacionada con el taladrado, mediante la cual se forma un bisel (chaflán) en el borde de un agujero. La superficie que corta la herramienta está concéntrica con el agujero y a un ángulo menor de 90° del eje del agujero. El avellanado es una operación rápida y se suele efectuar para eliminar las rebabas producidas por el taladrado. También se emplea para dejar espacio para un tornillo de cabeza cónica u otro objeto que se introduzca en el agujero. A fin de facilitar la eliminación de rebabas con el avellanado, se debe dejar suficiente superficie plana alrededor del agujero y perpendicular con su eje. TABLA 4.5-2 Tolerancias recomendadas para diámetros de agujeros rimados

Diámetro del agujero, mm (in) 0 a 13 (0 a 1/2) Más de 13 hasta 25 (1/2 a 1) Más de 25 hasta 50 (1 a 2) Más de 50 hasta 100 (2 a 4)

Tolerancias recomendadas, mm (in) ± 0.013 to ± 0.025 (0.0005 to 0.001) ±0.025(0.001) ± 0.05 (0.002) ± 0.08 (0.003)

TABLA 4.5-3 Tolerancias recomendadas para diámetros y profundidades de agujeros ensanchados. Tolerancia normal, Tolerancia precisa, Diámetro del agujero, mm (in)

(in)

mm (in)

Ensanchado de precisión en producción 0al9(0 a3/4 ) Más de 19 hasta 25 (3/4 a l ) Más de 25 hasta 50 (1 a 2) Más de 50 hasta 100 (2 a 4) Más de 100hasta 150 (4 a 6) Más de 150 hasta 300 (6 a 12)

±0.025(0.001) ± 0.04 (0.0015) ± 0.05 (0.002) ± 0.08 (0.003) ±0.1(0.004) ±0.13(0.005)

±0.005(0.0002) ± 0.005 (0.0002) ± 0.01 (0.0004) ± 0.02 (0.0008) ±0.025(0.001) ±0.05(0.002)

Rectificación con guía o plantilla 0 hasta 25 (0 a1)

± 0.013 (0.0005)

± 0.0025 (0.0001)

"Más de 25 (í)

± 0.025 (0.001)

± 0.005 (0.0002)

Profundidad (agujeros ciegos o parcialmente ensanchados) Ensanchado de precisión en producción Ensanchado con guía o plantilla

±0.08(0.003) ±0.025(0.001)

±0.025 (0.001) ±0.013(0.0005)

TABLA 4.5-4 Tolerancias recomendadas para ubicación de agujeros maquinados ± Distancia desde la posición real Tolerancia normal 1. Marcar con punzón de centrar y taladrar con equipo manual 2. Con dispositivo para taladrar con buje; pieza ubicada en el dispositivo desde la superficie existente 3.Con máquina fresadora de precisión o de control numérico (NC); pieza ubicada en el dispositivo desde la superficie existente 4. Con máquina fresadora de precisión o de NC; la pieza se ubica con micrómetro de carátula, medición óptica o desde el agujero anterior 5. Máquina ensanchadora con guía o plantilla; pieza ubicada como en el párrafo 4

4-54

Tolerancia precisa

0.5 (0.020)

0.25 (0.010)

025(0.010)

0.13 (0.005)

0.2 (0.008)

0.1 (0.004)

0.05(0.002)

0.025(0.001)

0.025 (0.001)

0.005(0.0002)

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

4-55

Ensanchamiento parcial El ensanchamiento parcial (formación de rebajos) es otra operación relacionada con el taladrado. Su finalidad es agrandar un agujero en una parte de su profundidad y el agrandamiento es más o menos concéntrico con el agujero original. En la figura 4.5-12 se ilustran un agujero con ensanchamiento parcial y la herramienta típica para ello. Los ensanchamientos parciales se hacen en los agujeros para que puedan recibir piezas que penetren en ellos de diámetros múltiples, por lo general un tomillo prisionero cuya cabeza debe quedar embutida al instalarlo. Las tolerancias en diámetro para agujeros taladrados también se pueden aplicar en los ensanchamientos parciales. Una tolerancia común para la profundidad de los ensanchamientos parciales es de ± 0.010 in, aunque se pueden mantener tolerancias más precisas si se necesitan.

Taladrado y rimado tipo cañón El taladrado tipo cañón es una operación especial que se creó inicialmente para la fabricación de cañones de armas de fuego. Se utiliza una broca de un solo filo, por lo general con punta de carburo y con un conducto para aceite enfriador a toda su longitud, por el cual se hace pasar el aceite a alta presión controlada. Éste sirve para arrastrar las virutas del agujero y, conforme corta la broca, le enfria la punta y apoya su cuerpo. La broca se guia con un buje al principio, pero después lo hace por sí sola en el agujero taladrado. Por tanto, se pueden producir agujeros profundos y rectos. Se puede hacer girar la herramienta o la pieza de trabajo, por lo general ésta. En la figura 4.5-13 se ilustra en forma esquemática el proce- FIG. 4.5-12 Herramienta para ensanchamienso de taladrado tipo cañón. to parcial y la superficie con ensanchamiento El rimado tipo cañón (llamado a veces ra- parcial que produce, yado en espiral) es un proceso similar porque se emplean un conducto para el aceite enfriador y una rima de un solo filo que se guía con un buje y con el agujero maquinado. Se utiliza para perfeccionar el diámetro, la rectitud o el acabado de la superficie de los agujeros taladrados. El taladrado y rimado tipo cañón son de empleo típico para agujeros con una profundidad desde 5 hasta más de 300 veces su diámetro. Se pueden emplear en agujeros de poco fondo y son ventajosos si el agujero es parcial y si traslapa o cruza otra superficie en ángulo o si el material de la pieza de trabajo es duro. Cualesquiera materiales que se puedan maquinar con herramientas de carburo, se pueden taladrar y rimar con este procedimiento. En la figura 4.514 se ilustran algunas piezas típicas de taladrado tipo cañón. Este proceso se puede emplear en agujeros con diámetros de 3 a 50 mm (1/8 a 2 in). Debido a que se necesitan equipo y herramientas especiales, suele ser más ventajoso para volúmenes de producción medianos y altos. Hay algunas consideraciones especiales para las piezas en que se utilizan estas operaciones. La más importante, quizá, es la necesidad de dejar espacio para colocar bujes exactos en la superficie de entrada y en cada punto en donde se interrumpe el agujero. Las brocas y rimas requieren bujes para la ubicación y la dirección del agujero. Es esencial que los bujes y el dispositivo sean exactos para lograr un agujero preciso. Otro requisito deseable es que el diámetro de la pieza sea lo bastante pequeño para sujetarla en el plato y hacerla girar. El proceso da mejores resultados si se hace girar la pieza, en vez de la broca. Con esto se evita la necesidad de controlar el "chicoteo" que se puede producir en brocas largas y en rotación. En la tabla 4.5-5 se señalan las tolerancias recomendadas aplicables a los agujeros maquinados con taladrado tipo cañón.

Trepanado El trepanado es una operación de maquinado para producir agujeros o ranuras circulares con

FIG. 4.5-13 Vista translúcida del taladrado tipo cañón. (Cortesía: Eldorado Tool & Mfg. Corp.)

FIG. 4.5-14 Aplicaciones típicas del taladrado tipo cañón. (Cortesía: Eldorado Tool & Mfg. Corp.)

4-56

AGUJEROS REDONDOS MAQUINADOS

4-57

TABLA 4.5-5 Tolerancias recomendadas para agujeros taladrados y rimados tipo cañón Diámetro del agujero

Tolerancia normal*

Tolerancia precisa*

Menos de 16 mm (5/8 in)

± 0.04 mm (0.0015 in)

± 0.025 mm (0.001 in)

Más de 16 mm (5/8 in)

± 0.05 mm (0.002 in)

± 0.04 mm (0.0015 in)

Acabado de superficie Taladrado tipo cañón Rimado tipo cañón Rectitud

2.5 nm (100 (μin) 1.6 jum (63 (μin) 0.13 mm TIR/150 mm (0.005 in/6 in)

0.8 nxn (32 (μin) 0.5 jtm (20 (μin) 0.05 mm TIR/150 mm (0.002 in/6 in)

*TIR - desviación total señalada por micrómetro de carátula.

la acción de uno o más cortadores que giran alrededor de un centro. Tiene, cuando menos, cuatro aplicaciones: 1. Formar discos a partir del material plano cuando se producen pequeñas cantidades. Se pueden hacer discos hasta de 1/4 in de espesor y 6 in de diámetro con este método. 2. Hacer agujeros grandes, pasantes, de poco fondo (de un diámetro igual o mayor que 5 veces el espesor del material). 3. Maquinar ranuras circulares como las que se utilizarían, por ejemplo, para retener sellos anulares (anillos "O"). 4. Maquinar agujeros profundos de 2 in o más de diámetro. Esta aplicación es una variante del taladrado tipo cañón, porque el cortador se guia por sí solo y se utilizan lubricación a presión y equipo especial. Se diferencia del taladrado tipo cañón porque se produce un núcleo con centro macizo cuando se taladra el agujero. Las tolerancias en diámetro y rectitud para los agujeros trepanados son similares a las de los agujeros de taladrado tipo cañón.

CAPÍTULO 4,6

Piezas producidas en máquinas fresadoras Theodore W. Judson GMI Technical and Management Institute Flint, Michigan

Procesos con máquinas fresadoras Características y aplicaciones de piezas producidas con máquinas fresadoras Factores económicos de las operaciones con máquinas fresadoras Materiales adecuados para fresar Recomendaciones para diseño Factores y tolerancias dimensionales

4-60 4-60 4-62 4-63 4-64 4-70

4-59

4-60

COMPONENTES MAQUINADOS

Procesos con máquinas fresadoras El proceso de remoción de materiales destinado a producir superficies planas, formas o perfiles con un cortador rotatorio se llama fresado. Por lo general, el eje o husillo giratorio y el cortador permanecen estacionarios y la pieza de trabajo se mueve en los ejes X, Y o Z. Las operaciones con procesos como brochado, cepillado, rectificado con abrasivos y con limadora son competidores del fresado, ya que también pueden producir superficies planas y formar superficies geométricas. Las fresas se pueden clasificar con base en dos acciones principales de corte: las que remueven material mediante corte en un lado y las que lo remueven con el llamado corte de frente además del corte lateral. En la figura 4.6-1 se ilustran algunos tipos comunes de fresas y las operaciones típicas. Además de la gran variedad de fresadoras estándares disponibles, sus fabricantes también ofrecen otras para dos finalidades básicas. El primer tipo incluye las fresadoras destinadas a la producción. El segundo incluye las fresadoras utilizadas para perfilar y contornear en el cuarto de herramientas o cuando la cantidad de producción es de sólo una o unas cuantas piezas iguales. En la figura 4.6-2 se ilustra una fresadora vertical con control numérico para producción, en la cual se pueden fresar superficies planas o una gran variedad de escalones, ranuras o perfiles. En la figura 4.6-3 se ilustra una fresadora para producción convertible para funcionamiento vertical u horizontal.

Características y aplicaciones de piezas producidas con máquinas fresadoras El fresado es una forma eficaz para remover grandes cantidades de material, así como un método eficiente para producir contornos y formas de alta precisión. Es un proceso muy adaptable. Su empleo principal es para producir superficies planas y ranuras. Cuando se requiere un ajuste muy preciso entre las piezas, cuando hay que sellar o, simplemente, se desea un ajuste exacto, las operaciones con fresadora probablemente resultarán ventajosas. Algunas de las características que se producen con el fresado son ranuras y cuneros (chaveteros), incluso ranuras para destornillador. Las superficies contorneadas incluyen cremalleras y en-

FIG. 4.6-1 Tipos de fresas y operaciones típicas de fresado, a) Ranurado con una fresa de corte lateral de dientes rectos, b) Ranurado con una sierra tajadora cóncava, c) Fresado normal. d) Fresado en ángulo, e y f) Fresado de formas, g) Fresado paralelo, h) Fresado de perfiles con una fresa de corte de frente. (Cortesía: Niágara Cutter Inc.)

FIG. 4.6-2 Fresadora vertical con control numérico. (Cortesía: Bridgeport Machines.)

FIG. 4.6-3 Fresadora convertible para funcionamiento vertical (izquierda) u horizontal (derecha). (Cortesía: DoAll Company.)

4-61

4-62

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.6-4 Complejidad de las superficies que se pueden generar con las fresadoras más modernas. (Cortesía: DoAll Company.)

granes, formas helicoidales, trinquetes (matracas), catarinas, levas y superficies a las que se da un contorno para mejorar su aspecto. Las configuraciones de superficie que se obtienen con el fresado también se logran con fundición, forja, extrusión o formación en frío, pero sin la precisión del fresado. La mayor parte de las piezas que se producen también se procesan con otras operaciones de maquinado, como taladrado, rimado, ensanchado de agujeros, torneado, rectificado con esmeril, etc. Las operaciones en la fresadora suelen ser parte de una secuencia completa de manufactura. Los componentes comunes que se producen con las fresadoras incluyen bloques y cabezas (culatas) de cilindros de motores para vehículos, llaves "españolas" y otras herramientas de mano, cajas de engranes, soportes, costillas, conexiones, bridas, tirantes, vigas, bombas, prensas para imprimir, componentes de máquinas herramientas, piezas de aviones, equipo de oficina y periférico de computadoras y compresores. De hecho, en todas las máquinas, en particular si son para trabajo pesado o de precisión, se emplean piezas hechas con fresadora. Otra aplicación común es el fresado de superficies, antes del rectificado de superficies. En la figura 4.6-4 se ilustran algunas superficies producidas con fresadora.

Factores económicos de las operaciones con máquinas fresadoras Los costos de herramientas para fresadoras pueden reducirse si se emplean equipo y fresas para usos generales. De ser necesario, los bloques de soporte y las abrazaderas estándares se pueden adaptar casi a todas las piezas de trabajo. Para ello, las operaciones de fresado se pueden efectuar con poca o ninguna inversión (siempre y cuando se tengan instalaciones para maquinado en general). En consecuencia, el fresado tiene una parte importante en la elaboración de herramientas y troqueles, producción de prototipos y fabricación en cantidades limitadas. Una baja producción requiere el empleo de una fresadora flexible y adaptable; en esa fresadora es fácil cambiar las herramientas y dispositivos para una gran variedad de formas y tamaños de las piezas de trabajo. En el otro extremo, la producción en muy grandes cantidades, se utilizan fresadoras y máquinas para aplicaciones especiales, que pueden incluir operaciones como taladrar, ensanchar agujeros, machuelar y otras, junto con el fresado. Se pueden emplear mesas alineables o equipo de transferencia con una o más cabezas para maquinado en cada estación. Un equipo tan complejo puede costar millones de dólares; pero se justifica cuando se reduce significativamente la mano de obra y se aseguran la exactitud y repetibilidad. Para cantidades moderadas de producción, se utilizan máquinas como las ilustradas en las figuras 4.6-2 y 4.6-3, con dispositivos de sujeción de diseño especial para la pieza de trabajo y con herramientas de corte con filos especiales. Estas fresadoras para producción, en especial

PIEZAS PRODUCIDAS EN MÁQUINAS FRESADORAS

4-63

las del tipo de mesa, onecen mayor rigidez y permiten más exactitud con producción continua y sin ajustes frecuentes. Los costos de herramientas en esos casos pueden variar entre pequeños y muy elevados, según sean la complejidad y complicaciones de los dispositivos, fresas y calibradores que se utilicen. El volumen de producción con las fresadoras puede tener grandes variaciones, según sean la cantidad de metal que se va a remover, el material de la pieza de trabajo, el tipo de fresa utilizado, la cantidad de manejo de la pieza de trabajo y otros factores. El avance para las fresas puede ser desde unos milímetros hasta más de 3 m (118 in)/min. Además de la depreciación y la amortización, los factores de costo en el fresado incluyen el material de la pieza de trabajo, mano de obra, energía, afilado y reposición de fresas, mantenimiento del equipo y tolerancias para desperdicio y retrabajado. En muchas aplicaciones para alta producción, la mano de obra directa puede ser de trabajadores poco especializados, porque el operador se concreta a cargar, descargar y calibrar. Para producción en bajas cantidades, los operadores suelen efectuar su preparación y ajustes, por lo cual deben ser muy especializados y devengarán salarios más altos. Aunque el fresado es un método muy rápido, cuesta más que fundir, formar en frío, extruir, etc., si con estos procesos se puede lograr la planicidad, acabado de superficie y exactitud dimensional requeridas en las piezas. Estos factores y los otros citados, indican la conveniencia de aprovechar la economía del fresado en la producción de bajas cantidades, más que en la producción a gran escala.

Materiales adecuados para fresar Las piezas fundidas, forjadas, las formas laminadas o estiradas en frío o en caliente y las extrusiones de materiales ferrosos y no ferrosos, se suelen procesar en las fresadoras. Aunque no es tan común, también se fresan, en operaciones secundarias, las piezas sinterizadas y formadas en frío, que incluyen piezas cabeceadas en frío, extrusiones por impacto y troquelados metálicos. Sin embargo, a menudo los materiales más adecuados para estos procesos de formación no son los óptimos para el fresado. No obstante, hay una gran variedad de materiales metálicos y no metálicos para fresado. Se logran mejores resultados con los materiales de clasificación más alta para facilidad de maquinado. Además, se pueden maquinar materiales blandos y los que tengan dureza hasta alrededor de Re 45, pero a mayor costo. En la tabla 4.6-1 se presentan datos de la cantidad promedio de material que se puede remover por caballo de fuerza en una fresadora, en materiales que se suelen trabajar en estas TABLA 4.6-1 Caballaje requerido por volumen unitario de metal removido por minuto para diversas clases de materiales fresados

Material

Dureza (número Brinell)

Volumen promedio removido por minuto por caballo de fuerza, cm3 (in3)

Hierro fundido maleable Acero fundido Acero forjado Acero forjado Acero forjado Acero forjado

Blando o duro Blando o duro 100-150 150-250 250-350 350-450

21 (1.3) 13 (0.8) 16 (1.0) 13 (0.8) 11 (0.7) 9.8 (0.6)

Hierro fundido, blando Hierro fundido, mediano Hierro fundido, duro Bronce Latón Aleación de aluminio

150-180 180-225 225-350 Promedio Promedio Promedio

29 (1.8) 21 (1.3) 16 (1.0) 21 (1.3) 26 (1.5) 66 (4.0)

4-64

COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4.6-2 Clasificaciones de facilidad de maquinado de diversos materiales cuando se trabajan con fresas de corte lateral:

Material

Designación

Acero

1212

Acero Acero

12L13 1117

Acero Acero

1010 1040

Acero

1070

Acero de aleación

4140

Acero inoxidable Acero inoxidable

430F 303

Acero inoxidable

17-7PH

Hierro fundido Hierro fundido Hierro fundido Aluminio

A48-Clase 20 A48-Clase 30 60-40-18

Aluminio

2024

208.0

Latón

934

Latón

340

Magnesio Níquel Zinc

AZ92A 200 AG40A

Condición y observaciones

Número de dureza Brinell

Estirado en frío, resulfurizado Estirado en frío, emplomado Estirado en frío, resulfurizado Estirado en frío, bajo carbono Estirado en frío, mediano carbono

Clasificación

150-200

100

150-200 150-200

105 85

125-175 125-175

55 50

175-225

35

175-225

30

Libre maquinado, ferrítico Libre maquinado, austenítico

135-185 135-185

80 65

Endurecido por precipitación, forjado Ferrílico, recocido Perlifico, como sale de fundición Dúctil, recocido Forjado, tratado en solución Como fue fundido en molde de arena o permanente Estaño-bronce con alto plomo, como fue fundido Estirado en frío, mediano plomo Tal como fue fundido, recocido Recocido o estirado en frío Fundido en molde de presión

150-200

25

120-150 190-220 140-190 75-150

100 55 85 265

40-100

400

40-150

135

60R b-100Rb

165

40-90 80-170 80-100

400 45 165

Estirado en frío, alto carbono

*Compilada con datos en Machíning Data Handbook, 3a. ed., con permiso de Machinability Data Center, © 1980 Metcut Research Associaties, Inc. están basadas en la velocidad de corte recomendada para fresas de acero de alta velocidad, comparadas con la recomendada para el acero 1212.

máquinas. En la tabla 4.6-2 se presentan clasificaciones de facilidad de maquinado de algunos materiales específicos seleccionados, trabajados con fresas de corte lateral de alta velocidad. Los materiales de mayor dureza requieren menor velocidad de corte y menos avance por diente, lo cual se aplica a metales ferrosos y no ferrosos. Las propiedades fisicomecánicas más altas están en relación inversa con las velocidades de corte y avance en el fresado.

Recomendaciones para diseño A pesar de que el fresado es un proceso rápido para remoción de metal, aumenta el costo del producto. Si las superficies producidas por procesos anteriores como fundición, extrusión, forja, estirado, etc., producen una superficie de suficiente planicidad y la configuración adecuada para no necesitar fresado, se reducirán los costos. Por ello, los diseñadores deben esforzarse por lograr un diseño que no requiera la exactitud producida con el fresado. Hay muchos productos comerciales, en especial los producidos en masa, en los cuales se utilizan

PIEZAS PRODUCIDAS EN MÁQUINAS FRESADORAS

4-65

procesos como troquelado fino, metalurgia de polvos y fundición de precisión para producir configuraciones que, con un diseño menos cuidadoso, requerirían fresado. Diversas reglas para el diseño de productos comunes mediante otras operaciones de maquinado también se aplican al fresado. Por ejemplo, las esquinas externas y las internas agudas deben evitarse. La pieza debe ser fácilmente asequible, las superficies maquinadas deben ser accesibles, deben especificarse los materiales que se maquinan fácilmente. Además los diseños deben ser tan sencillos como sea posible. Hay una cantidad de recomendaciones de diseño adicional, particularmente aplicable al fresado, lo cual facilita la manufactura de una pieza cuando estas operaciones se necesitan. Estas recomendaciones, presentadas a continuación, darán por resultado menor tiempo de preparación, fresas más económicas, procesamiento mejorado y menor costo. 1. El diseño del producto debe permitir el empleo de fresas de formas y tamaños estándares en vez de especiales. Las anchuras de las ranuras, radios, biseles (chaflanes), formas de las esquinas y la forma total deben basarse en las fresas que se adquieren en el comercio, no en las de fabricación especial. Las fresas especializadas con rebajos son costosas y de difícil mantenimiento (Fig. 4.6-5). 2. El diseño del producto debe permitir la preferencia en la fabricación, hasta donde sea posible, para determinar los radios donde se cruzan dos superficies fresadas o cuando se trata de un perfil fresado. Esto permitirá el empleo de las fresas estándares disponibles o de afilado más fácil (Fig. 4.6-6).

FIG. 4.6-5 El diseño del producto debe permitir el empleo de fresas de forma y tamaño estándares en vez de los tipos especiales.

FIG. 4.6-6 El diseño del producto debe permitir el empleo de los radios producidos por la herramienta de corte.

FIG. 4.6-7 El fresado por puntos es más rápido y económico que el fresado de frenfí para superficies pequeñas y planas. Superficie hecha con fresa de frente o por puntos

FIG. 4.6-8 Una protuberancia de poca altura simplifica el maquinado de una superficie plana. 4-66

PIEZAS PRODUCIDAS EN MÁQUINAS FRESADORAS

4-67

FIG. 4.6-9 Si se diseña vina esquina biselada FIG. 4.6-10 Es preferible no especificar un raen vez de redondeada, se tiene un maquinado dio incorporado en los rieles maquinados, más económico. 3. Cuando se requiere una superficie plana, pequeña (por ejemplo, para apoyo o asiento de cabeza de un tornillo perpendicular a un agujero), el diseño debe permitir el empleo de fresado por puntos, que es más rápido y económico que el fresado de frente (Fig. 4.6-7). 4. Cuando se especifican fresado por puntos o superficies fresadas pequeñas en piezas fundidas, es un buen método diseñar una protuberancia de poca altura en la superficie que se va a fresar (Fig. 4.6-8). Esto facilita el maquinado y la remoción de la pintura y, por lo general, produce un borde menos agudo.

FIG. 4.6-11 Los cuneros se deben diseñar de modo que una fresa estándar produzca ambos

FIG. 4.6-12 Hay que dejar holgura para la fresa, lados y extremos en una operación

4-68

COMPONENTES MAQUINADOS

5. Cuando las superficies externas se cruzan y no se desea una esquina aguda, el diseño debe prever un bisel (chaflán) en vez de una superficie redondeada. Los biseles se pueden producir con fresas para corte de frente, mientras que el redondeo requiere una fresa con rebajo y una instalación más precisa, ambas muy costosas (Fig. 4.6-9). 6. Asimismo, cuando se forman o maquinan rieles, es preferible no tratar de incorporar la superficie formada con una fresada ya existente, porque es difícil la incorporación o desvanecimiento precisos. Se prefieren los métodos ilustrados en la figura 4.6-10. 7. El diseño de los cuneros (chaveteros) debe permitir que la fresa para cuneros se mueva paralela con el eje central de la pieza de trabajo y forme su propia curvatura en el extremo. Una fresa estándar debe formar tanto la anchura como las curvaturas de extremo del cunero (Fig. 4.6-11). Este principio también se aplica a otras ranuras, cortes con sierra y fresado con fresa hueca o fresado de frente. 8. En un diseño que requiera fresar superficies adyacentes a un reborde o ceja, se debe dejar espacio para el a vance de la fresa. Se deben emplear escalones o curvaturas pequeños o superficies inclinadas en el reborde o la brida (Fig. 4.6-12). 9. La duración de las herramientas se prolongará con un diseño de producto que evite la necesidad de fresar en las líneas divisorias, zonas de rebabas y soldaduras. 10. Igual que para otros procesos de maquinado de superficies, los diseños más económicos son los que requieren el mínimo de operaciones separadas. Se prefieren las superficies en el mismo plano o, cuando menos, en el mismo sentido y en planos paralelos. 11. A menudo, las operaciones de fresado se pueden efectuar en forma más económica si el diseño del producto se presta a apilar las piezas, de modo que se pueda producir una superficie fresada en cierto número de piezas en una operación de fresado múltiple. Esto también puede ocurrir si hay que "rebanar" la pieza en una pieza de trabajo larga después de fresar (Fig. 4.6-13). Aunque las piezas no tengan las superficies planas contiguas que se ilustran y siempre y cuando se diseñen para apilarlas o encajarlas entre sí, se puede emplear el fresado múltiple. 12. El diseño del producto debe incluir cierta holgué paia emplear fresas grandes en vez de pequeñas a fin de permitir gran volumen de remoción de material, empleo más eficienFIG. 4.6-14 Las ranuras hechas con fresa de te del caballaje de la fresadora y menores con frente en acero no deben ser más profundas, diciones dinámicas de funcionamiento al normalmente, que el diámetro de la fresa. fresar. Las fresas pequeñas son menos fuertes

4-70

COMPONENTES MAQUINADOS

y requieren velocidades más altas para un corte eficaz. Son más susceptibles a vibraciones, traqueteo y flexión de las herramientas y componentes de la máquina. Las holguras grandes también facilitan el empleo de fresas con insertos de carburo, que permiten alto volumen de producción, mínimo mantenimiento de las fresas y menos tiempo muerto para cambiar herramientas. 13. Al fresar de frente en acero dulce, la profundidad no debe exceder del diámetro de la fresa (Fig. 4.6-14).

Factores y tolerancias dimensionales En la tabla 4.6-3 se presentan las tolerancias dimensionales recomendadas para diversas operaciones de fresado. Se debe tener en cuenta que esos datos son paa trabajo de producción y con máquinas en buenas condiciones. Otros factores, además de las condiciones de la fresa, la máquina y los sujetadores de la pieza de trabajo, influyen en la capacidad para mantener la tolerancia en las operaciones. Por ejemplo, las alteraciones en el funcionamiento, como desgaste de herramientas, desgaste de la máquina, flexión y la vibración, rigidez y estabilidad de la pieza de trabajo también son importantes. El fresado, por naturaleza, produce elevadas fuerzas intermitentes que originan vibración y flexión. El material de la pieza de trabajo influye en el control de las tolerancias. Los materiales de buena facilidad de maquinado, quizá con estructura granular fina y fureza razonable, se maquinan con más facilidad que los materiales muy duros o los muy blandos o de grano grueso. El número de piezas que se pueden producir antes de reemplazar las fresas o los insertos es un importante factor para controlar la calidad del acabado de superficie. Un avance pequeño por diente produce un acabado de superficie más liso. Los factores que reducen la fricción, como el fluido para corte, alta velocidad de trabajo y materiales con buena facilidad de maquinado, producen la tersura deseada en la superficie. Por ello, se han logrado acabados de superficie de apenas 5 uin con fresado, mientras que ciertas condiciones hacen imposible obtener acabados de superficie menores de 500 flin. El acabado de superficie que se puede esperar en corridas de producción de hierros, aceros y materiales no ferrosos de fácil corte, queda en la gama de 1.5 a 3.8 pm (60 a 150 pin).

CAPÍTULO 4.7

Piezas producidas por cepillado, limado y limado vertical

Procesos Cepillado Limado Limado vertical Características y aplicaciones de las piezas maquinadas con cepilladoras Características y aplicaciones de las piezas maquinadas con limadoras Cantidades económicas para producción Materiales para cepillar y limar Recomendaciones para diseño Factores dimensionales

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COMPONENTES MAQUINADOS

Procesos El cepillado, limado y limado vertical son procesos de maquinado que producen una acción cortante como resultado de un movimiento alterno (reciprocante) rectilíneo entre la herramienta y la pieza de trabajo. Cepillado. Este proceso se utiliza para componentes grandes. La pieza de trabajo se fija en una mesa que se mueve en un sentido y otro contra herramientas de corte (buriles). Los buriles están estacionarios, excepto que tienen avance entre las carreras de la máquina. Los buriles se pueden alimentar transversales a la pieza en dirección vertical, horizontal o angular. Cabe emplear en forma simultánea hasta cuatro portaherramientas, cada una de las cuales puede producir una superficie maquinada separada. Limado. Es un proceso similar al cepillado pero se utiliza para piezas de trabajo o superficies pequeñas. La pieza de trabajo está estacionaria, excepto por el avance entre las carreras de la máquina, y el buril es movible. La herramienta se sujeta a un carro que tiene movimiento

FIGURA 4.7-1 Limadora horizontal estándar. (Cortesía: General Motors Engineering Standards.)

PIEZAS PRODUCIDAS POR CEPILLADO, LIMADO Y LIMADO VERTICAL

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alterno (reciprocante) lineal. En la limadora convencional, ese movimiento es horizontal. El avance de la pieza de trabajo entre las carreras suele ser automático y en sentido horizontal, transversal a la carrera del carro. Sin embargo, la herramienta puede tener avance vertical, horizontal o en ángulo, según se desee. En la figura 4.7-1 se ilustra una limadora horizontal estándar. Limado vertical. Este proceso es similar al limado, excepto que el movimiento del carro es vertical en vez de horizontal. Este aspecto, en ocasiones, ofrece una forma más conveniente para sujetar ciertas piezas de trabajo, por lo general en las cuales se utiliza avance rotatorio en vez de lineal.

Características y aplicaciones de las piezas maquinadas con cepilladoras El empleo más frecuente de las cepilladoras es para maquinar superficies grandes y planas, por ejemplo, las bases de maquinaria, monobloques de motores Diesel y piezas de locomotoras y buques. Otras piezas que se pueden cepillar son las piezas fundidas grandes y en bruto y los ensambles soldados que requieren cierto maquinado después de soldar. Una cepilladora típica tendrá una capacidad máxima para piezas de trabajo de 1 X 1 X 4 m (3 X 3 X 12 ft). Sin embargo, se han construido máquinas con capacidades de longitud parcial hasta de 15 m (50 ft). No resulta práctico cepillar superficies de 300 mm (12 in) de longitud, excepto como parte de una operación de maquinado múltiple. Las superficies de cola de milano y ranura en V, con frecuencia se producen en una cepilladora. Las superficies cepilladas se prestan mejor que las fresadas para rebabeado manual posterior. Otra aplicación común es para maquinar bloques grandes para troqueles (dados), pues se pueden trabajar aleaciones y aceros de herramienta difíciles de maquinar que tienen una dureza hasta de Re 46. Aunque la aplicación primaria del cepillado es en la producción de superficies planas, también se puede emplear para hacer superficies contorneadas, lo cual se logra con el ajuste manual de la altura de la herramienta, por lo general a lo largo de una línea trazada en la pieza de trabajo. También se puede obtener por medio de un aditamento trazador que cambie la posición de la herramienta en forma automática entre dos carreras de la máquina. Con un soporte especial para la pieza de trabajo que la haga girar durante el corte, se pueden maquinar superficies o ranuras helicoidales. Con herramientas de forma también se maquinan superficies curvas e irregulares de tamaño limitado. En la figura 4.7-2 se ilustran las piezas y superficies típicas maquinadas en una cepilladora.

Cabezal de prensa de cortina

Soportes de dispositivos

FIGURA 4.7-2 Piezas y superficies típicas maquinadas en una cepilladora.

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COMPONENTES MAQUINADOS

Características y aplicaciones de las piezas maquinadas con limadoras En las limadoras se trabajan piezas más pequeñas que en las cepilladoras. Por lo general son lo bastante pequeñas para transportarlas a mano y asegurarlas en un sujetador del tipo de tomillo de banco en la mesa de la máquina. Las superficies maquinadas con limadora por lo general, pero no siempre, son planas y pueden estar en planos horizontal, vertical o angular. Las limadoras rara vez tienen una carrera mayor de 900 mm (36 in), que es la superficie más larga que maquinan. Una superficie mínima es menor de 13 mm (1/2 in), pero lo normal es que midan entre 150 y 400 mm (6 a 16 in). La capacidad de anchura de una limadora de 36 in es aproximadamente de 20 in; la de una de 12 in es aproximadamente de 10 in. Aunque algunas limadoras tienen un aditamento trazador que permite reproducir contornos exactos de superficies, tanto en ángulos rectos como paralelos a la carrera de la máquina, la mayor parte de esos contornos se hacen mediante el control manual de la altura de la herramienta durante cada carrera. Por tanto, esas superficies sólo tienen un acabado burdo. Un tercer método incluye el empleo de una plantilla montada debajo de la mesa de la limadora para subirla y bajarla durante el avance transversal y, con ello, producir contornos suaves en ángulos rectos con la carrera de la máquina. La limadora es muy adaptable, quizá más que la cepilladora. Ciertas superficies de difícil acceso que no se pueden trabajar con otras máquinas, se llegan a producir por cepillado. Los ejemplos son ranuras internas profundas y contomos en agujeros ciegos o en lugares de difícil acceso. Aunque se suelen utilizar buriles, las limadoras pueden cortar con herramientas formadoras, en especial cuando se requiere una configuración repetida, por ejemplo, para maquinar cremalleras. Las limadoras también se emplean mucho para cortar ranuras, cuneros (chaveteros) y estrías, para lo cual se puede necesitar un cabezal divisor montado en la mesa de la máquina. En la figura 4.7-3 se ilustran piezas típicas maquinadas con limadora.

PIEZAS PRODUCIDAS POR CEPILLADO, LIMADO Y LIMADO VERTICAL

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Cantidades económicas para producción Salvo algunas excepciones, el cepillado y el limado son más adecuados para la producción de piezas individuales o en poca cantidad. Son procesos muy adaptables con bajo costo de herramientas. Estas máquinas, con frecuencia, se utilizan en los talleres de mantenimiento, de modelos y cuartos de herramientas, pero rara vez para producción en volumen. La fresadora ha venido a complementar a la cepilladora y a la limadora para producción, porque remueve el metal con más rapidez, cuando menos el doble que las otras máquinas. Dado que sólo se requieren buriles, que son poco costosos, y sujetadores y prensas estándares para las piezas de trabajo, además de que el tiempo de preparación suele ser corto, las cepilladoras y las limadoras son adecuadas en especial para producir piezas individuales o para urgencias.

Materiales para cepillar y limar Aunque como se mencionó, las cepilladoras y limadoras pueden maquinar aleaciones difíciles y materiales de gran dureza (hasta de alrededor de Re 46), cuando se utilizan estas máquinas resulta ventajoso especificar un material de tanta facilidad de maquinado como lo permitan los requisitos funcionales de la pieza. En las tablas de clasificación de facilidad de maquinado del capítulo 4.1 se presentan datos generales para materiales ferrosos, no ferrosos y no metálicos, que también se aplican al trabajo con cepilladoras y limadoras. En la tabla 4.7-1 también hay información de facilidad de maquinado para el trabajo de materiales en limadoras con herramientas de acero de alta velocidad.

Recomendaciones para diseño Dada la adaptabilidad de las cepilladoras y limadoras, hay pocas restricciones en el diseño de piezas que se van a maquinar con ellas. Sin embargo, hay ciertas reglas que se deben observar, ya sea para la economía de la operación o el control dimensional: 1. Dado que las fuerzas de corte para cepillar y limar pueden ser repentinas y muy intensas, diséñense las piezas para que se fijen con facilidad en la mesa de la máquina y para .que sean lo bastante fuertes a fin de soportar las flexiones durante el maquinado (Fig. 4.7-4). 2. Es preferible que todas las superficies maquinadas estén en el mismo plano para reducir el número de operaciones requeridas. (Esta restricción no se aplica si se pueden trabajar ambas superficies en forma simultánea con los cepillos de herramientas múltiples.) 3. Evítense las superficies múltiples que no estén paralelas en la dirección del movimiento alterno (reciprocante) de la herramienta, pues se requerirán ajustes adicionales de herramientas. 4. Evítense las superficies contorneadas, salvo que se cuente con un aditamento trazador; especifíquense contornos suaves y radios amplios hasta donde sea posible. 5. Con las untadoras y limadoras verticales es posible cortar hasta una distancia de 6 mm (1/4 in) de una obstrucción o del fondo de un agujero ciego (Fig. 4.7-5). Si es posible, déjese un claro en el extremo de la superficie maquinada. 6. Para las piezas delgadas o planas que requieren maquinado de superficie, calcúlese suficiente material para una operación de relevado de esfuerzos entre el desbastado y el acabado o, si es posible, hágase corte de debastado en iguales cantidades de ambos lados. Incluyanse alrededor de 0.4 mm (0.015 in) para el maquinado de acabado y efectúese éste en ambos lados. 7. El tamaño mínimo de los agujeros en que se puede cortar un cunero o una ranura con limadoras o limadoras verticales es alrededor de 1 in (Fig. 4.7-6). 8. Debido a la falta de rigidez en las extensiones largas para herramientas de corte, no suele ser factible maquinar una ranura con una longitud mayor de 4 veces el diámetro del agujero o de la dimensión más grande de la abertura (Fig. 4.7-6)

FIGURA 4.7-4 Las piezas que se van a maquinar con cepilladora y limadora deben ser bastante fuertes para soportar las fuerzas de la herramienta de corte y deben estar sujetas con firmeza.

FIGURA 4.7-5 Evítense las superficies maquinadas muy cercanas a una obstrucción al final del corte.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIGURA 4.7-6 El tamaño mínimo de un agujero en que se va a formar un cunero u otro contomo con una limadora es alrededor de 1 in. La longitud de las ranuras y contomos no debe ser mayor de 4 veces la dimensión más grande de la abertura o que el diámetro del agujero.

Factores dimensionales Las cepilladoras, limadoras y limadoras, verticales son máquinas de severa precisión. Si se las tiene en buenas condiciones de funcionamiento, cualesquiera variaciones dimensionales considerables serán por error humano, el diseño y condiciones de la pieza y el método para sujetarla. El escuadramiento y planicidad de la superficie de sujeción -de la pieza de trabajo son de máxima importancia. Una pieza que se deforma al sujetarla, se recuperará por acción elástica después del maquinado y no tendrá una superficie correcta. Esto ocurre en especial con las piezas cepilladas cuando las fuerzas de corte son elevadas y se requiere una sujeción muy fuerte. TABLA 4.7-2 Tolerancias dimensionales recomendadas para piezas producidas con cepillado, limado horizontal y vertical Tolerancia preferida para manufactura, mm (in) Planicidad En 0.5 m2 (5 ft2), cepilladoras en 0.1 m2 (1 ft2 ), cepilladoras o limadoras En 65 cm2 (10 in2), limadoras Acabado de superficie Hierro fundido

± 0.13 (0.005) ±0.08 (0.003) ± 0.05 (0.002) 3 Mm (125 μin)

Accro 6 MHI (250 μin) Ubicación de la superficie Superficies pequeñas ±0.25(0.010) Superficies grandes; más de 0.1 ±0.4(0.015) m2 (1 ft2) Contorneo a la posición especificada Avance manual ±1.0(0.040) Avance con trazadora ±0.13(0.005)

Tolerancia promedio, mm (in)

Tolerancia precisa, mm (in)

± 0.05 (0.002) ±0.025 (0.001)

+ 0.013 (0.0005) ±0.013 (0.0005)

± 0.025 (0.001)

± 0.013 (0.0005)

1.5 μm (60 μ in) 3 μm (125 μin)

0.8 μm (32 μin) 0.8 μm (32 μin)

±0.13(0.005) ±0.2(0.008)

±0.025(0.001) ±0.05(0.002)

±0.7(0.028) ±0.05(0.002)

±0.4(0.015) ±0.025(0.001)

PIEZAS PRODUCIDAS POR CEPILLADO, LIMADO Y LIMADO VERTICAL

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La firmeza de las abrazaderas, soportes y topes es muy importante, en especial en los cepillos. El movimiento de la pieza de trabajo puede dañar las herramientas y la máquina y producir errores dimensionales. La flexión de la pieza como resultado de las fuerzas de corte puede ocasionar considerables variaciones dimensionales. Las piezas de trabajo deben ser de diseño rígido y estar bien soportadas si se requiere gran exactitud. Las combaduras también llegan a ocurrir como resultado de la liberación de los esfuerzos internos del material durante el maquinado; las piezas planas son las más susceptibles a esta condición. La rigidez de las herramientas es otro factor importante, en especial para limado horizontal o vertical en superficies internas en donde la herramienta o el portaherramienta sobresalen considerablemente. Las velocidades más bajas para el corte, los cortes suaves con avance más fino y el empleo de lubricantes ayudan a mejorar la exactitud cuando existen factores de flexión de la herramienta o la pieza de trabajo. Asimismo, las herramientas con el filo bien hecho y el avance fino facilitan el logro de acabados de superficie lisos. En la tabla 4.7-2 se presentan las tolerancias recomendadas para las dimensiones y superficies producidas con cepillado, limado horizontal y vertical.

CAPÍTULO 4,8

Roscas de tornillos Engineering Staff Teledyne Landis Machine Waynesboro, Pennsylvania

Sistemas de Roscas Procesos para hacer roscas: sus aplicaciones y factores económicos Terrajas Corte de roscas con buril Cabezas para corte de roscas Fresado de roscas Machuelado Rectificado de roscas Laminación de roscas Machuelado en frío Materiales para roscas de tornillos Roscas cortadas Roscas rectificadas Roscas formadas Recomendaciones para diseño de roscas Factores y tolerancias dimensionales

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COMPONENTES MAQUINADOS

Sistemas de roscas En las figuras 4.8-1 hasta 4.8-6 se ilustran las formas comunes de roscas. La rosca nacional unificada se adoptó en 1948 como el sistema preferido para sujetadores

FIG. 4.8-1 Rosca nacional unificada.

FIG. 4.8-2 Rosca cuadrada.

FIG. 4.8-4 Rosca nacional trapezoidal.

FIG. 4.8-3 Rosca Acmé para usos generales.

FIG. 4.8-5 Rosca cónica NPT para tubo.

en Estados Unidos, Gran Bretaña y Canadá. Es muy similar al anterior sistema normalizado American. Sus designaciones comunes son (por sus siglas en inglés) UNC (gruesa), UNF (fina), UNEF (extrafina) y UNS (especial). Hay tres clases comunes de roscas en el sistema unificado. La clase 1 tiene el ajuste más holgado y las tolerancias dimensionales más amplias. La clase 2 es la más común para sujetadores con ajustes y tolerancias cerradas, y la clase 3 es para las aplicaciones más precisas o criticas. La letra A designa roscas externas y la letra B roscas internas. El método normal para designar una rosca es especificar, por orden, el diámetro nominal, número de hilos por pulgada, símbolo de la serie de rosca y símbolo de la clase de rosca, complementadas, como opción, con el diámetro de paso y su tolerancia. Un ejemplo de la designación de una rosca externa y lo FIG. 4.8-6 Rosca métrica ISO. que significa es:

ROSCAS DE TORNILLOS

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La rosca deforma cuadrada (Fig. 4.8-2) es la más enciente para la transmisión de potencia. Su producción es más costosa que las otras formas y ha sido sustituida, casi por completo, por la rosca Acmé. La rosca Acmé (Fig. 4.8-3) también se utiliza para la transmisión de potencia y es más fácil de producir que las roscas cuadradas, pero su capacidad para transmisión de potencia es algo menor. Se utiliza en algunos vastagos de válvula y sinfines. La rosca trapezoidal (Fig. 4.8-4) transmite la potencia en una dirección con la misma eficiencia de una rosca cuadrada, pero se produce más fácilmente debido al lado posterior ahusado de la forma del diente. Se utiliza en aplicaciones militares y para unir partes tubulares entre sí. La rosca cónica estándar americana para tubo (NPT) que se ilustra en la figura 4.8-5 es la rosca normalizada para tubo en Estados Unidos. La rosca recta (sin conicidad) y las roscas para tubo para sellado en seco tienen formas similares. La rosca métrica ISO (de las siglas en ingles de Organización Internacional de Normalización) es la rosca métrica básica para sujetadores (Fig. 4.8-6). En la figura 4.8-7 se muestra la nomenclatura estándar para las roscas.

Las roscas gruesas son adecuadas para uso general, en particular en máquinas y otras aplicaciones de sujetadores, en donde se requiere ensamblaje rápido y fácil. Las roscas finas se emplean cuando el diseño requiere aumentar resistencia o reducir peso. Las roscas se emplean en sujetadores, como pernos, tornillos de máquina, prisioneros, tornillos de cabeza y espárragos (birlos) y en aplicaciones de potencia, como tornillos de banco, abrazaderas, dispositivos y gatos de tomillo; además para controlar con exactitud la posición como en los sinfines de avance de máquinas y en los mecanismos de dirección de vehículos, en el avance de materiales y para convertir el movimiento rotatorio en lineal. Hay una amplia gama de tamaños de roscas comerciales. En relojes de pulsera y bolsillo se utilizan roscas tan pequeñas como 0.3 mm (0.012 in) de diámetro y de 140 hilos por centímetro (360 por pulgada). Por otro lado, el tubo de 600 mm (24 in) tiene rosca de tubo con un paso de 8.5 mm (dos hilos por pulgada). Los tomillos autorroscantes se emplean para madera, lámina metálica, lámina de fibra y otros materiales blandos. La forma de la rosca es distinta que en los tornillos para máquina y el vástago suele ser cónico. En la figura 7.5-24 se ilustran algunos tornillos autorroscantes comunes.

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COMPONENTES MAQUINADOS

Procesos para hacer roscas: sus aplicaciones y factores económicos Terrajas. Las terrajas para roscas externas pueden usarse manualmente; es el método menos deseable para cortar roscas externas (Fig. 4.8-8). Sin embargo, es ventajoso cuando se va i cortar un número reducido de roscas, de pequeñas a medianas y cuando la exactitud del paso de la rosca en relación con su eje no es esencial. Por comparación con otras herramientas para cortar roscas, son poco costosas y fáciles de usar.

FIG. 4.8-8 Terraja para roscas externas. (Cortesía: Cleveland Twist Drill Co.,subsidiaria de Acme-Cleveland Corp.)

FIG. 4.8-9 Corte de rosca con buril. (Cortesía: Teledyne Landis Machine.)

Corte de roscas con buril En este método se utiliza un buril que tenga un perfil correspondiente al de la rosca para generarla. Con este método pueden producirse roscas internas o externas. Se utiliza un torno y su carro movido longitudinalmente a lo largo de la pieza por un sinfín impulsado por engranes desde el husillo. El sinfín mueve al carro y a la herramienta una distancia igual al avance o paso de la rosca que se produce. Ésta, por lo general, se produce con sucesivas pasadas múltiples (Fig. 4.8-9). El corte de roscas con buril se emplea más cuando la pieza de trabajo tiene un diámetro muy grande, el paso es muy grueso, el material es difícil de maquinar o la cantidad es muy pequeña para utilizar un corte de roscas. Con este método, agujeros de 8 muí (5/16 in) pueden roscarse. Cabezas para corte de roscas. Las cabezas para corte de roscas (que no se deben confundir con cabezas para laminar roscas) son un medio eficiente y común para cortar roscas. Son muy adaptables, tienen capacidad amplia y se hacen en muchos modelos y tamaños para emplearlas en diversos tipos de máquinas, como tornos para producción, tornos automáticos con plato, tomos automáticos de barra y de husillos múltiples, taladros y otros tipos. Las cabezas tienen cuatro o cinco insertos cortadores. Cuando se avanza la herramienta en sentido axial desde el extremo de la pieza de trabajo, se cortan las roscas. Una vez que la cabeza se acopla, es de avance automático de acuerdo con el paso de la rosca. Los insertos cortadores se desmontan para afilarlos. En la figura 4.8-10 se ilustra una cabeza cortadora estacionaria de apertura automática que se emplea cu tornos para producción, tornos automáticos de plato y máquinas para hacer tornillos. Las cabezas cortadoras pueden utilizarse económicamente en producciones moderadas y altas, según las circunstancias. Por comparación con el laminado, no hay necesidad de controlar con tanta precisión el diámetro de la pieza de trabajo, porque la garganta de entrada del cortador recorta cierta cantidad de una sobremedida. Las cabezas cortadoras cuestan menos que los rodillos para laminar roscas y, por lo general, si tienen daños parciales se pueden reconstruir. La preparación de una cabeza cortadora es más fácil que la del laminador de roscas. El corte de roscas para tubo es una aplicación común de las cabezas roscadoras.

ROSCAS DE TORNILLOS

FIG. 4.8-10 Cabeza cortadora estacionaria de apertura automática. (Cortesía: Teledyne Lan-

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FIG. 4.8-11 Fresado de roscas. (Cortesía: Teledyne Lañáis Machine.) dis Machine.)

Fresado de roscas. En este proceso se utiliza una fresa que corta la rosca conforme gira la pieza de trabajo. El tipo más común es la de costillas múltiples o de formas múltiples (Fig. 4.811). Las fresas de una costilla también se utilizan; con ellas, la pieza de trabajo debe dar tantas vueltas como hilos de rosca. El fresado de roscas puede ser interno o externo y cabe emplearlo para producir casi todos los tipos de roscas, sean rectas o cónicas. El diámetro de la fresa determina el tamaño mínimo de las roscas internas. Dado que la interferencia es más pronunciada donde la fresa no se libera por sí sola, por lo general el diámetro de la fresa no debe exceder una tercera parte del diámetro del agujero. Las roscas con flancos cercanos a 90° con el eje son imposibles de fresar, porque la fresa no puede penetrar en el corte sin desvastar el flanco. Algunas roscas muy gruesas que se van a rectificar, se cortan en bruto con la fresa y, luego, se acaban por rectificado, quizá después de un tratamiento térmico. Aunque el fresado de roscas es más lento que el corte con cabeza cortadora, a menudo se necesita fresar la rosca debido a su paso grueso, volumen o abigarramiento, un ángulo grande de hélice, roscas muy largas, la configuración de la pieza de trabajo, material difícil de maquinar u otras consideraciones. Por tanto, una cantidad económica para producción podría ser una o 10 000 piezas FIG. 4.8-12 Machuelo convencional para rosMachuelado. Este proceso incluye el empleo cas internas. (Cortesía: Teledyne Lañáis Machide un machuelo, que es un cortador cilindrico ne.) con filos múltiples. El machuelo gira y avanza axialmente hacia la pieza de trabajo para producir roscas internas. Se utilizan machuelos convencionales (Fig. 4.8-12) o de expansión (Fig. 4.8-13). El machuelado se puede hacer a mano o con taladros, tornos, máquinas automáticas para hacer tornillos o máquinas machueladoras especiales.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.8-13 Machuelo de expansión. (Cortesía: Teledyne Landis Machine.) Los machuelos convencionales se emplean con más frecuencia para roscas con diámetros de 1.2 mm (0.047 in) hasta 150 mm (6 in). Aunque los machuelos de expansión, por su construcción, sólo son para diámetros de hasta 32 mm ( (1-1/4 in), se pueden obtener para diámetros hasta de 600 mm (24 in). Los machuelos convencionales son los más económicos en la gama de 1.5 mm (1/16 in) a 50 mm (2 in). Aunque es necesario girar a la inversa el machuelo para sacarlo, en muchos casos esta inversión se puede hacer con mucha mayor rapidez para disminuir el tiempo requerido. Rectificado de roscas. En la producción de algunas roscas se utilizan rectificadoras del tipo con centros (Capítulo 4.13) y sin centros (Capítulo 4.14). Se emplean ruedas formadoras con costillas individuales o múltiples para el rectificado con centros; para el rectificado sin centros, se emplean ruedas con costillas múltiples. Utilizan movimiento axial entre la rueda y la pieza mientras ésta gira. En las figuras 4.8-14 y 4.8-15 se. ilustran los procesos. En el rectificado con centros, sin que importe que se utilice una rueda de costillas sencilla o múltiple, las especificaciones del materia! y la forma, así como la longitud y calidad de la rosca determinan el número de pasadas requerido para terminarla; ese número puede variar desde uno hasta seis. En el rectificado sin centros, se suele acabar la pieza con una pasada de la máquina. Cuando la pieza se mueve a través de la rueda, primero se le da el diámetro correcto y luego se forman las roscas. Las piezas roscadas que son rectificadas incluyen las de material muy duro para cortar, fresar o laminar; también cuando se requiere un acabado fino o hay que cumplir requisitos de precisión de la forma, avance y paso y, particularmente, después de endurecer. Las formas que se producen incluyen roscas de tubo cónicas API, NPT y otras; unificada y métrica de 60°, Whitworth de 55°, sinfines de 29° y 40°, la British Association de 47°30', la Lowenhertz de 53°8', la trapezoidal y otras. Las piezas roscadas con rectificado sin centros incluyen las de rosca continua, como prisioneros, espárragos (birlos), bujes (casquillos) roscados, bujes roscados para ajuste de tamaño en cabezas rectificadoras, calibradores de roscas, sinfines, tornillos sinterizados de hierro y bujes de inserción autorroscantes. Los materiales en que se pueden rectificar roscas incluyen barras endurecidas y recocidas para tornillos, aceros inoxidables y de aleación de alta velocidad para herramientas y hierro sinterizado. Éste se emplea mucho para tornillos con rosca continua. Las rectificadoras con centros para roscas se pueden emplear en corridas de producción cortas y largas. Las ruedas rectificadoras de una sola costilla se utilizan para baja producción; las de costillas múltiples para producción en masa.

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FIG. 4.8-14 Rectificado de roscas del tipo con centros. (Cortesía: Teledyne Lañáis Machine.)

Los tiempos de preparación para operación manual fluctúan entre 1/2 y 1 h; para operación automática, entre 1-1/2 y 2 h. El rectificado sin centros para rosca se utiliza en la producción de grandes volúmenes. En diámetros de 10 mm (3/8 in) y mayores, una corrida a costo económico y tamaño razonable es de 10 000 a 15 000 unidades. Cuando se esmerilan diámetros menores de 10 mm, en especial si el diámetro y la longitud son iguales o si la longitud es de l.S veces mayor que el diámetro, la cantidad debe ser mayor de 15 000. En los diámetros pequeños, la preparación es, en proporción, más difícil y requiere más tiempo. Sin embargo, el volumen de producción es mucho más alto que con diámetros grandes. Es posible producir prisioneros de 1/4 in, de paso 20, de 1-1/4 mm de longitud a razón de 7500 piezas por hora. Laminación de roscas. La laminación o rolado de roscas y formas se produce por la penetración de dados o troqueles de acero endurecido en preformas redondas. La aplicación de la fuerza adecuada desplaza el material dentro de los huecos y produce una forma inversa a la del dado o troquel. En la figura 4.8-16 se muestra un diagrama del proceso cuando se utilizan dados planos. Las ventajas principales de las roscas laminadas respecto a las hechas con otros procesos es que tienen mejores características físicas, más exactitud y mejor acabado de superficie. Otra ventaja es que no hay desperdicio porque no se remueve material al formar la rosca. En cuanto a las características físicas del laminado de roscas hay un considerable aumento en las resistencias a la tracción y esfuerzos cortantes y resistencia a la fatiga. Cuando se producen roscas con otros procesos de manufactura, las fibras del grano del metal se cortan en la formación. Sin embargo, cuando se lamina la rosca, se hacen fluir las fibras en líneas continuas ininterrumpidas que siguen los contomos de la rosca (Fig. 4.8-17). El laminado de roscas se logra con laminadoras de dados planos y movimiento alternativo (reciprocante), laminadoras del tipo de dado cilíndrico, cabezas laminadoras de roscas, aditamentos para laminar, rodillos con un solo saliente y con máquinas laminadoras de planetarios. Debido a que se necesita controlar con precisión el diámetro de la pieza de trabajo antes de laminar las roscas, algunas veces primero se efectúa el rectificado sin centros.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.8-16 Laminado de roscas con dados planos. (Cortesía: Teledyne Landis Machine.) Además de las roscas rectas y cónicas, se suelen producir otras formas como ranuras para aceite, sinfines y engranes por formado en frío en las máquinas laminadoras de roscas. Sin embargo, en ocasiones la configuración geométrica de la pieza no se presta para laminación de roscas. En la figura 4.8-18 se ilustran piezas comunes con roscas y otras formas producidas por laminación En comparación con una herramienta de corte menos costosa, que se gasta con rapidez, pero se afila de nuevo con facilidad, el juego de rodillos es más costoso, quizá no se pueda rectificar, y se deben producir más piezas para justificar su costo. Por tanto, el proceso de laminado debe ser para corridas largas o casos en que se pueda amortizar el costo adicional de las herramientas. En algunos casos, cuando se tiene el dado requerido para laminar y puede utilizarse en lugar de un sujetador, la laminación es económica en lotes de tamaño moderado. Los dados para laminación de roscas tienen larga duración (desde decenas de miles hasta millones de piezas) y no hay que afilarlos en toda su duración útil. Machuelado en frío. Los machuelos para formado producen roscas internas mediante el flujo plástico del material cerca de la pared del agujero, en vez de remover metal como ocurre con los machuelos convencionales. En la figura 4.8-19 se ilustra un machuelo común para formado en frío. El método tiene las ventajas de que no se forman virutas, las roscas son fuertes y se trabaja a más velocidad. Sin embargo, el número de materiales para conformación con frío con machuelo es limitado y el porcentaje de rosca se debe mantener al 65% o menos. Esto evita el llenado excesivo en el diámetro menor. Estos machuelos también requieren más potencia para machuelar que los convencionales. La forma característica de rosca tiene una ranura pequeña en la cresta, cuya anchura se reduce con mayores porcentajes de rosca.

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FIG. 4.8-17 Estructura granular de roscas cortadas (a) por contraste con la estructura más fuerte, con deformación plástica de las roscas laminadas (b). (Cortesía: Teledyne Landis Machine.)

Materiales para roscas de tornillos Roscas cortadas. Muchas veces, la aplicación final de la pieza de trabajo y aun consideraciones ajenas a la operación de roscado, determinan la selección del material. Sin embargo, cuando hay forma de escoger un material de grado de corte libre da una rosca más exacta y de acabado más liso. Comparado con el roscado de grados que no son de libre maquinado, el corte de roscas en los de corte libre permite mayor producción con menores costos de maquinado y herramientas. Los metales blandos que no son de libre maquinado, son difíciles de roscar, porque producen virutas pegajosas que se sueldan en el borde cortante. A la larga, en muchos, casos los metales seleccionados sobre la base del costo, resultarán más caros. Se necesita más tiempo, en proporción, para obtener una rosca satisfactoria. Además, las herramientas cuestan más, tienen menor duración y se requiere más tiempo para cambiarlas. Los materiales adecuados para roscar suelen ser los mismos que para casi todas las operaciones de maquinado. Los latones y el bronce se cortan mejor y a más velocidad que los aceros; los aceros para libre maquinado se cortan mejor que los emplomados o los grados que no son de libre maquinado y, conforme aumenta el contenido de carbono o se agregan cromo o molibdeno, la facilidad de maquinado disminuye con gran rapidez. El aluminio en barras suele ser muy bueno; pero el aluminio fundido puede ser muy abrasivo o aun ocasionar el desgaste excesivo de las herramientas. El hierro fundido es frágil y presenta el problema de que se mantenga una buena forma en la cresta de la rosca. Los aceros al bajo carbono,

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COMPONENTES MAQUINADOS

como los grados 1010 y 1020, aunque son bastante blandos para fácil maquinado, tienden a desgarrarse y es difícil obtener un buen acabado. Es difícil cortar buenas roscas en los aceros cuando la dureza Brinell es menor de 160. Esto se debe principalmente a la dificultad para arrancarles la viruta. En materiales más duros, la viruta se puede romper con más facilidad, lo cual ocasiona menos interferencia en la cara cortante de la herramienta, a la vez que permite tener un corte más libre y un acabado más liso. Los materiales con dureza superior a Re 34 no suelen ser adecuados para dados o ma-

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chuelos que, en términos generales, se fabrican con acero de alta velocidad. Para materiales de más de Re 34, es mejor el proceso con buril de punta con carburo. Los materiales difíciles de maquinar, a veces se pueden roscar mejor con fresado de roscas. Al establecer las velocidades y avances, se debe tener en cuenta la dureza de la pieza de trabajo y el material del cortador; además, recuérdese que las formas de rosca de 60° no se hacen con cortadores de dientes fuertes. Roscas rectificadas. En general, los materiales adecuados para formación por rectificado también lo son para roscas rectificadas Los indicados son los aceros endurecidos y cualesquiera materiales a los cuales se les pueda dar tratamiento térmico y dejarlos a más de Re 33 antes de roscar. El aluminio y materiales blandos semejantes son los más difieles de rectificar, porque tienden a obstruir la rueda y producir quemaduras. Roscas formadas. Para formar se requieren otras propiedades que para cortar roscas; los materiales que se pueden cortar quizá no sean adecuados para laminación de roscas o machuelado en frío. Los factores que facilitan la formación de roscas son baja dureza, bajo punto de cedencia, alargamiento de 12% o más, microestructura de grano fino y ausencia de endurecimiento por el trabajo. Los aceros emplomados y sulfurados y los latones emplomados no son buenos para laminar roscas y sólo se deben considerar para roscas cortadas. Tampoco se recomienda, en general, la laminación de roscas con materiales que excedan de una dureza R e 32; en materiales más duros, se reduce mucho la duración de los dados. En la tabla 4.8-1 se presentan la facilidad de laminado y duración esperada de los dados en metales comúnmente roscados por laminado. El machuelado en frío requiere todavía más facilidad para trabajo en frío que para laminar roscas externas. Los materiales más comunes son el latón, cobre, aluminio y acero al bajo carbono en los grados para trabajar en frío.

Recomendaciones para diseño de roscas Las roscas externas hechas por todos los procesos no deben terminar cerca de un reborde u otro diámetro grande. Hay que dejar espacio para la herramienta de corte. Se debe dejar una zona de alivio de la rosca o rebajo cuando el diámetro de la pieza de trabajo es menor que el diámetro más chico de la rosca (Fig. 4.8-20). Esto deja espacio para el ángulo de entrada de la herramienta que, en otra forma, produciría una rosca incompleta en el extremo; también reduce la posibilidad de rotura de la herramienta. La anchura del alivio depende del tamaño de la pieza, de lo grueso de la rosca y del ángulo de entrada de la herramienta. Se debe dejar de 1.5 mm (1/16 in) a 19 mm (3/4 in) o más. Cuando sea posible, auméntese la anchura del alivio a fin de utilizar dados para roscar con máxima longitud de entrada o de bisel (chaflán). Esto dará máxima eficiencia de operación y aumentará la duración de la herramienta. Las roscas internas deben tener un alivio o rebajo similar aunque, para agujeros ciegos, se requiere una operación adicional de rebajado antes de roscar. Los agujeros ciegos, aunque no tengan un rebajo, requieren cierta longitud sin roscar en el fondo como espacio para las virutas. Los agujeros pasantes son los mejores y más económicos, ya que hay espacio para las virutas y alivio si las roscas atraviesan hasta la superficie opuesta. En la figura 4.8-21 se ilustran estos cursos alternos. En muchas aplicaciones no se requiere más de 60% a 65% de la altura de la rosca para que ésta tenga la resistencia adecuada. Estas roscas se maquinan con más facilidad y sólo requieren 75% de la potencia necesaria para roscas convencionales. Si no se necesita alta resistencia, considérese el empleo de rosca de altura reducida (Fig. 4.8-22). Asimismo, la longitud roscada debe ser lo más pequeña que sea posible y congruente con los requisitos funcionales de la pieza. Las roscas cortas se producen con más rapidez y permiten mayor duración de las herramientas. Para las roscas internas, en donde puede haber rotura de machuelos, la profundidad de la parte roscada se debe limitar a dos veces el diámetro. El diseño de los productos roscados ha de incluir un bisel (chaflán) en los extremos de las roscas externas y un avellanado en los extremos de las roscas internas. Estas superficies evitan la formación de roscas en forma de "aletas" en los extremos, ayudan a minimizar las rebabas y auxilian a la herramienta para empezar a cortar o formar las roscas (Fig. 4.8-23).

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.8-21 Déjese espacio para las virutas con roscas internas. Aparte de los biseles y avellanados, la superficie en el principio de la rosca debe ser plana y estar a escuadra con el eje central de la rosca. En otra forma, puede ser difícil iniciar el corte con la herramienta. Las ranuras, agujeros transversales y caras planas no se deben hacer donde se crucen con las roscas. La mayor parte de los procesos para roscar se perjudican con las interrupciones en la superficie, y las rebabas son casi invevitables en donde se cruzan las superficies. La eliminación de rebabas en las superficies de las roscas resulta muy costosa (Fig. 4.8-9). Cuando los agujeros transversales son inevitables, hay que avellanarlos. Las formas y tamaños estándares para las roscas, hechas con herramientas normales siempre son más económicas que las hechas con herramientas especiales. Las piezas tubulares deben tener una pared de suficiente espesor para soportar la presión durante el corte o la formación. Esta restricción se aplica a roscas internas y externas. Las piezas fundidas y forjadas de configuración poco común no deben tener secciones delgadas en una zona de la circunferencia de la rosca, pues se producirá ovalación. No se deben especificar tolerancias más precisas de las necesarias. Las roscas de clase 2 suelen ser satisfactorias para casi todos los trabajos.

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FIG. 4.8-22 Una forma de rosca de altura reducida se produce con más facilidad que una rosca completa y su resistencia es adecuada para la mayor parte de las aplicaciones.

FIG. 4.8-23 Especifíquense biseles y avellanados en los extremos de las secciones roscadas.

Para las roscas rectificadas no se deben especificar esquinas agudas en la raíz. Por lo general, un radio de 0.08 mm (0.003 in) es el mínimo que se puede esperar; se prefieren radios mayores, del orden de 0.25 mm (0.010 in) (Fig. 4.8-24). Las roscas rectificadas sin centro deben tener una relación longitud: diámetro de, cuando menos 1:1; pero, de preferencia, la longitud debe ser mayor que el diámetro. Las piezas que se van a roscar por rectificado sin centro no deben tener rebabas grandes, estar aplanadas u ovaladas por el cizallamiento ni dobladas o torcidas. Hay que evitar conicidades y partes planas porque no se eliminarán con el rectificado de la rosca.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.8-24 Las roscas rectificadas requieren un amplio radio en la raíz.

Las piezas en que se van a laminar roscas, tienen requisitos similares de redondez, rectitud y ausencia de conicidades y rebabas. La uniformidad de la dureza y el diámetro exacto de la preforma son importantes para laminar roscas. Excepto en los tamaños más grandes, es algo más económico producir roscas gruesas; así pues, se deben especificar si la función de la pieza lo permite. Las piezas con rosca gruesa se ensamblan con más rapidez.

Factores y tolerancias dimensionales Los factores que producen variaciones dimensionales en las roscas influyen en las dimensiones de otros tipos de superficies producidas con equipo para roscar. La precisión y condiciones de las herramientas y las máquinas son factores clave, igual que la pericia del operador, la clase de material y la velocidad de avance de la herramienta. Cuando las condiciones son óptimas, se tiene gran cuidado y se puede dedicar más tiempo (a veces puede ser mucho), las roscas de clases 4 y 5 se pueden producir con todos los métodos descritos en este capítulo. También se requiere equipo de medición adecuado a fin de guiar y controlar la precisión del resultado final. Las terrajas no suelen trabajar con máxima precisión y su aplicación principal es sólo para roscas clases 1 y 2. Para las roscas de clases 1 hasta 5, cabe emplear otros métodos para cortarlas, pero los costos tienen un fuerte aumento según la precisión requerida. Se tiene más exactitud en el avance de la herramienta cuando ésta se controla con el sinfín de avance y no con el machuelo o el dado. Por lo general, no se logran acabados de superficie mejores de 1.6 μm (63 μin) con roscas cortadas. Para el fresado de roscas, con preparación cuidadosa y avance moderado, los diámetros exterior, de paso y de raíz se pueden mantener denta. de una tolerancia de ±0.025 mm (0.001 in). El avance depende dé la precisión de los sinfines de la máquina y se puede mantener a 0.001 mm/cm (0.0001 in/in). Es viable mantener e. acabado de superficie a 1.6 μm (63 μin) y puede ser más fino con un avance muy lento. 11 fresado de roscas es adecuado para roscas precisas, en especial si el material de la pieza de trabajo tiene algunas limitaciones para el maquinado. Antes, el rectificado era esencial para producir roscas de clases 4 y 5; en la actualidad, las de clase 5 se pueden laminar o cortar. El rectificado se utiliza con mayor frecuencia cuando la dureza del material impide emplear otros métodos. Si se requieren acabados y exactitud mayores a los especificados para roscas de clase 3, se debe esperar menor volumen de producción. Las rectificadoras del tipo con centros pueden mantener ángulos de flanco de las roscas con una aproximación de ± ¼ ° , la exactitud del avance dentro de ± 0.002 mm/cm (0.0002 in/in) y el error acumulado no será mayor de 0.06 mm en 300 mm (0.0024 in/ft). Todas las roscas se pueden laminar. La exactitud entre una pieza y otra con estas roscas depende de diversos factores, en particular del diámetro constante de la pieza de trabajo y

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COMPONENTES MAQUINADOS

la uniformidad del material y estructura entre una pieza y otra. Si hay variaciones en estos factores, no se pueden lograr las tolerancias. El rectificado sin centros es una operación común antes del laminado de roscas para tener diámetro exacto de la pieza de trabajo. El acabado de superficie de las roscas laminadas en mejor que el de las cortadas, o sea, casi tan terso como la superficie de los dados laminadores. Por lo general, se puede especificar un limite de 0.8 μm (32 μm) si se requiere una superficie lisa. En las tablas 4.8-2 y 4.8-3 se presenta información de las dimensiones y tolerancias aproximadas para las roscas estándares. En la publicación Screw Thread Standards for Federal Services, Handbook H28, publicado por U.S. Department of Commerce, aparecen datos adicionales de dimensiones y tolerancias para roscas. Otra publicación es Unified Inch Screw Threads (ANSI Bl. 1-1974), editada por American National Standards Institute.

CAPÍTULO 4.9

Piezas brochadas

Robert Roseliep Presidente General Broach and Engineering Corp. Mount Clemens, Michigan

Proceso Brochado externo Brochado interno Características típicas de las piezas brochadas Cantidades económicas para producción Materiales adecuados para brochar Recomendaciones para diseño Superficies de entrada y salida Tolerancias para el material Secciones de pared Familias de piezas Agujeros redondos Formas internas Cuneros (chaveteros) internos Cuñas (chavetas) internas Agujeros con estrías rectas Estrías en espirall Estrías cónicas Agujeros cuadrados y hexagonales Agujeros estriados cortados con sierra o hendidos Agujeros ciegos Dientes de engranes Biseles y radios en esquinas

4-104 4-105 4-105 4-106 4-106 4-106 4-108 4-108 4-108 4-108 4-109 4-109 4-109 4-110 4-110 4-110 4-110 4-112 4-112 4-112 4-112 4-114 4-114 4-103

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COMPONENTES MAQUINADOS

Superficies externas Rebajos Rebabas Cortes desbalanceados Factores dimensionales Tolerancias recomendadas Acabado de superficies Planicidad Paralelismo Escuadramiento Concentricidad Biseles y radios Dimensiones básicas

4-114 4-115 4-115 4-115 4-115 4-116 4-116 4-116 4-116 4-116 4-116 4-116 4-116

Proceso El brochado es el corte de un material que se puede maquinar al hacer pasar un cortador (brocha) con una serie de dientes escalonados progresivos sobre o a través del mismo. Estos dientes avanzan en un plano paralelo a la superficie que se corta y, al remover una cantidad predeterminada de material, se producen contornos o perfiles y acabados de precisión. Casi siempre, los dientes serán contenidos en una sola herramienta llamada brocha, para desbastar y acabar la pieza por completo en una sola carrera de la máquina (Fig. 4.9-1). Cuando el exceso de material impide la acción con una sola carrera, se pueden aplicar carreras adicionales con la misma herramienta, si es posible, o con una serie de herramientas. Hay que

FIG. 4.9-1 Brocha para formas complejas. Se muestran la preforma de la pieza y la configuración acabada después de tirar de la brocha a través de la pieza. (Cortesía: Apex Broach & Machine Co.)

PIEZAS BROCHADAS

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cambiar la posición de la herramienta con respecto a la pieza de trabajo en una cantidad igual a la del material eliminado en cada carrera, si se va a utilizar la misma herramienta para carreras múltiples. La brocha se puede empujar o tirar (jalar) vertical u horizontalmente. Brochado externo. Este método es para maquinar una superficie externa de la pieza; ésta se monta en un sujetador y la brocha en un portaherramienta. Ya sea el portaherramienta o el dispositivo se monta en la corredera motorizada de la máquina brochadora y el otro se mantiene fijo con relación a la superficie que se va a brochar. El "brochado de copa" y el "brochado a horcajadas" son dos procesos en los cuales la pieza de trabajo está rodeada por brochas que ejercen presiones equilibradas para el corte, lo cual elimina la necesidad de sujetadores para la pieza de trabajo. Brochado interno. Este método requiere que haya un agujero o abertura en la pieza de trabajo para introducir la brocha y tirar de ella o empujarla a través de la pieza. Cuando el corte es balanceado, por ejemplo en un agujero redondo o estriado, por lo general la brocha permite posicionar la pieza centralmente al corte. Los cortes desbalanceados requieren guiar la brocha, lo cual se suele lograr con el diseño de la brocha o con dispositivos en guías encima, debajo o a través de la pieza. El "brochado de agujeros ciegos", en los .cuales la brocha no puede atravesar la pieza, se efectúa con una sola o un juego de brochas con un número limitado de dientes de corte. Se empuja la herramienta dentro la pieza de trabajo hasta que los dientes pasan las superficies que se va a cortar y, luego, se retrae (Fig. 4.9-2). En este proceso se utilizan máquinas brochadoras construidas para ese trabajo. Pueden ser automáticas, semiautomáticas o de control manual; en éstas, el operador maneja la pieza de trabajo y la brocha y controla el movimiento de la máquina. Las brochadoras se fabrican en diversos tipos y tamaños estándares y especiales. Casi todas son hidráulicas y algunas tienen impulsión electromecánica con engranes o cadenas.

FIG. 4.9-2 Aplicación para brochar agujeros ciegos en que la pieza se fija en el ariete de la máquina y se alinea un grupo de 12 brochas de un solo diente debajo de la pieza para producir una estría interna. (Cortesía: Apex Broach & Machine Co.)

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COMPONENTES MAQUINADOS

Características típicas de las piezas brochadas Prácticamente cualquier pieza maquinable con arranque de virutas, se puede brochar. En algunas piezas no hay un método alterno, práctico, de manufactura y hay que brocharlas. Las piezas habituales son las que tienen agujeros cuadrados, circulares o irregulares, la ranura para la llave en los cilindros de cerraduras (Fig. 4.9-3), estrías y agujeros correlativos con dientes de lados rectos, espirales, cicloidales o de formas especiales, excéntricas y levas, engranes, trinquetes

FIG. 4.9-3 Las ranuras para la llave en los cilindros de cerraduras suelen ser brochadas.

FIG. 4.9-4 Las aberturas para montaje de los alabes de turbinas de vapor se producen por brochado.

(matracas) y otras formas complejas que requieren tolerancias y acabados de precisión. Se pueden lograr formas helicoidales y rectas. Los tamaños van desde piezas muy pequeñas hasta algunas que pesan toneladas, como el rotor de una turbina de vapor (Fig. 4.9-4). El brochado tiene dos características excepcionales y ventajosas en relación con los procesos convencionales para maquinado: su muy alta velocidad y notable exactitud para las repeticiones. Con frecuencia se utiliza el brochado en sustitución de fresado, cepillado, fresado continuo, ranurado, ensanchado, rimado y rectificado. Se produce un acabado fino de superficie debido a la acción de bruñido de los últimos dientes. Por lo general, no se requieren operaciones adicionales de acabado de superficie. Las marcas de la herramienta son axiales en vez de circunferenciales.

Cantidades económicas para producción El brochado suele requerir producción en gran volumen. Las cantidades pequeñas no suelen justificar el costo inicial de la brochadora, de las herramientas y aditamentos. Las excepciones son los casos en que no hay otro método práctico para maquinar o cuando se pueden emplear las herramientas estándares para brochado con que ya se cuenta. El costo de las brochas puede ser desde pocos centenares para una herramienta sencilla, hasta varios miles de dólares para herramientas para producir formas complejas como la del rotor de turbina de la figura 4.9-4. Los volúmenes de producción, por lo general, pueden ser entre 15 y 100 veces mayores que con otros métodos para maquinado. Por ejemplo, el brochado de copa de 24 dientes de engrane en una preforma de acero SAE 1144 de 22 mm (7/8 in) de espesor, a razón de 1 000 piezas por hora, sustituyó 16 fresadoras y cuatro operadores con una sola brochadora con herramientas automáticas. Se necesitó una producción mínima de un millón de piezas para justificar el costo de la máquina y las herramientas. El uso de herramientas o juegos de herramientas para hacer más de una pieza o un grupo de ellas con la misma superficie maquinada, a menudo hará que el brochado sea económico en lotes pequeños.

Materiales adecuados para brochar Se ha brochado la mayor parte de los metales y aleaciones existentes, en especial aceros, hierro fundido, bronce, latón, aluminio, algunos plásticos, hule duro, madera, grafito, asbesto y otros

PIEZAS BROCHADAS

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materiales compuestos. En todos los casos, la facilidad de maquinado del material es el factor clave. Él brochado de piezas fundidas y forjadas porosas con densidades disparejas crea los problemas de un acabado de superficie inaceptable y de control deficiente del tamaño; hay que evitar esas piezas. El control de la dureza del material es importante para evitar variaciones excesivas entre pieza y pieza. Las variaciones grandes pueden dar por resultado acabado de superficie defi-

TABLA 4.9-1 Resultados típicos del maquinado con materiales comunes para brochar Acabado

Material SAE1008/1010 SAE1020/1023 SAE 1040 SAE 1063/1070 SAE 1095 SAE 1112 SAE 1144 SAE 3145 SAE 4027 SAE 4140/4145 SAE 4340 fundido SAE 5140 SAE 52100 SAE 6145/6150 SAE 8620 SAE 8640/8645 Hierro gris fundido Hierro maleable perlitico Acero inoxidable 303 Acero inoxidable 17-4PH Acero inoxidable 403 Acero inoxidable 410 Acero inoxidable 416 Acero de alta velocidad M-2 Inconel Inconel X Greek Ascoloy Rene 41 Stellite31 2618-T61A1 2014-T6A1 Cobre Telurio-cobre Latón de libre corte Bronce naval Magnesio Aluminio-bronce (8%) Aluminio-bronce (14%)

Número de dureza Brinell

μm

Tolerancia± μin

mm/ superficie

in/ superficie

60-70 R b 70-74 Rb 80-86 R b 18-20 R c 23-25 R c 62-72 Rb 93-97 R b 93-97 Rb 91-95 Rb 92-94 R b 31-33 Rc 12-16 R c 18-25 R c 18-22 R c 18-27 R c 18-25 R c 88-94 Rb

1.1/1.6 1.1/1.5 0.8/1.1 0.6/1.3 0.9/1.5 1.0/1.5 0.8/1.5 0.9/1.3 0.6/1.3 1.3/2.0 2.0/3.0 1.5/2.0 1.1/1.5 1.1/1.5 1.0/1.5 1.3/2.0 2.0/2.5

45-65 45-60 30-45 25-50 35-60 40-60 30-45 35-50 25-50 50-80 80-120 60-80 45-60 45-60 40-60 50-80 80-100

0.025 0.025 0.025 0.038 0.046 0.013 0.020 0.015 0.013 0.038 0.064 0.051 0.020 0.020 0.020 0.025 0.063

0.001 0.001 0.001 0.0015 0.0018 0.0005 0.0008 0.0006 0.0005 0.0015 0.0025 0.002 0.0008 0.0008 0.0008 0.001 0.0025

90-96 R b 85-90 Rb

1.1/1.5 0.8/1.1

45-60 30-45

0.013 0.038

0.0005 0.0015

34-40 Rc 27-32 Rc 84-92 Rb 18-22 R c

0.5/0.8 0.6/0.9 0.4/0.8 0.4/0.8

20-30 25-35 15-30 15-30

0.030 0.030 0.025 0.025

0.0012 0.0012 0.001 0.001

24-28 R c 82-87 R b 29-32 R c 32-38 R c 40-42 R c 30-32 Rc 70-80 R b 70-80 Rb 45-85 R f 45-50 R f 70-75 Rb 65-70 R b 60-75 Re

1.1/1.5 2.0/2.5 0.8/1.1 0.9/1.1 0.8/1.0 2.0/3.0 0.8/1.1 0.8/1.1 1.1/1.5 0.8/1.1 0.5/0.9 0.8/1.1 0.2/0.4

45-60 80-100 30-45 35-45 30-40 80-120 32-45 32-45 45-60 30-45 20-35 30-45 8-15

0.038 0.089 0.025 0.025 0.051 0.051 0.051 0.058 0.038 0.025 0.025 0.038 0.038

0.0015 0.0035 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002 0.0023 0.0015 0.001 0.001 0.0015 0.0015

75-83 Rb

1.4/2.0

55-80

0.063

0.0025

35-37 R c

1.5/2.0

60-80

0.127

0.005

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COMPONENTES MAQUINADOS

cíente o disparejo y son un factor que se debe considerar en relación con la duración de las herramientas y el control del tamaño. La dureza ideal para las piezas ferrosas es entre R) son fáciles y poco costosas de cortar, pero re quieren más metal de aporte. Las ranuras en J cortadas en cada placa producen ranuras en U (Fig. 4.11-6c) cuando se colocan los bordes a tope. Estas ranuras contorneadas son más cos tosas para cortar con llama, pero necesitan FIG. 4.11-6 Configuraciones de los bordes. El menos metal de aporte y cuesta menos soldar borde escuadrado o perpendicular de a es el las más económico. La ranura en V de b es de Los bordes curvos con biseles o ranuras bajo costo relativo para cortarla. La ranura requieren equipo especia l o bien operarios en U de c es más costosa, pero ahorra matemuv experimentados Por ello cuestan mas nal de aporte y tiempo para soldadura en secque los cortes perpendiculares y se deben eviciones gruesas. tar si no se necesitan TABLA 4.11-3 Tolerancias dimensionales recomendadas pra piezas cortadas con llama

Espesor de la placa 6 a 35 mm (1/4 a l-3//8 in) Más de 35 a 75 mm (1-3//8 a 3 in) Más de 75 a 100 mm (3 a 4 in) Más 100 a 127 mm (4 a 5 in) Más de 127 a 165 mm (5 a 6- ½ in) Más de 165 a 200 mm (6- ½ a 8 in)

Longitud, anchura o ubicación de agujeros o ranuras

Dimensiones de agujeros o ranuras

±1.5 mm (±0.060 in) ± 1.5 mm (±0.060 in) ±2.4 mm (±0.090 ¡n) ±2.4 mm (±0.090 in) ±2.4 mm (±0.090 in) ±3.0 mm (±0.125 in)

±0.8 mm (±0.030 in) ± 1.2 mm ( ±0.045 in) ±1.5 mm (±0.060 in) ±2.4 mm (±0.090 in) ±3.0 mm (±0.125 in) ±3.0 mm (±0.125 in)

NOTA: En condiciones más precisas de corte controlado por plantilla con plantilla de gran exactitud y sin deformación térm ica importante, se pueden mantener dimensiones de ± 0.6 mm (± 0.024 in) en placa de 75 mm (3 in) de espesor o menos.

Recomendaciones para tolerancias En la tabla 4.11-3 se presentan las tolerancias dimensionales recomendadas para trabajo normal con placas de diversos espesores. Se pueden lograr tolerancias muy precisas en condiciones óptimas, pero requieren tiempo y cuidado adicionales. Sin embargo, los valores se pueden utilizar para la mayor parte de las aplicaciones.

CAPÍTULO 4.12

Piezas rectificadas internamente Roald Cann Bryant Grinder Corporation Springfield, Vermont

Proceso Características típicas de las piezas con rectificado interno Características que posiblemente requieran rectificado interno Características que influyen en la elección entre rectificado interno y pulimento con piedras Piezas y materiales habituales Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Estandarización (normalización) Superficies para sujeción, guía e impulsión Longitud del agujero que se va a rectificar Agujeros ciegos Interrupciones circunferenciales Interrupciones axiales Cantidad de material Empleo de una camisa o insertos Caras internas Agujeros con entrada confinada (reducida) Acceso para el refrigerante Factores dimensionales Recomendaciones para tolerancias

4-134 4-134 4-134 4-135 4-135 4-135 4-137 4-137 4-137 4-138 4-138 4-138 4-138 4-139 4-139 4-139 4-139 4-139 4-139 4-142 4-142 4-133

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso El rectificado interno, en esencia, es para eliminar material del interior de un agujero. Por lo general, se hace que la pieza gire en torno al eje deseado para el agujero y se coloca una rueda abrasiva que gira en torno a su propio eje dentro del agujero y se la avanza en sentido radial para que haga contacto con la pieza. Si el tamaño o la forma externa no permiten la rotación de la pieza en tomo al eje del agujero, la pieza se mantiene estacionaria y se da un movimiento planetario a la rueda abrasiva en tomo al eje del agujero además de hacerla girar en tomo a su propio eje, como en un rectificador guiado. En la figura 4.12-1 se ilustra una rectificadora interna común. A menudo, el control del tamaño del agujero, se logra mediante el afinado con diamante, o sea con el avance de la rueda abrasiva hasta una distancia fija desde donde estaba la última vez que se afinó con un diamante relativamente fijo. Los perfiles se suelen configurar directamente en la rueda y se reproducen en la pieza por avance radial. Por lo general, un perfil esférico rectificado se suele generar directamente con la arista de una rueda cilíndrica cuyo eje cruce el eje de rotación de la pieza. Los perfiles más largos que la longitud utilizable de la rueda se producen al mover una rueda corta, en forma de barril, en la trayectoria requerida por medio de una plantilla o de un programa de CCN. Los perfiles son configurados en las ruedas con rodillos de diamante perfilados o con mecanismos en que se emplean pivotes, plantillas o un programa de CCN para darle la trayectoria requerida a un buril con punta de diamante.

Características típicas de las piezas con rectificado interno Características que posiblemente requieran rectificado interno. La razón más frecuente para hacer rectificado interno es que el material es demasiado duro para maquinarlo económicamente con un proceso que no sea abrasivo y hay que maquinarlo después de endurecerlo para corregir la deformación producida por el tratamiento térmico y eliminar las costras o el material descarburizado. Otras razones frecuentes, relacionadas con el material, son si éstos son muy frágiles para otros procesos, se embadurnan con otros procesos (paquetes de laminación de motor eléctrico o síncrono, cojinetes porosos) o son demasiado abrasivos para que la duración de la herramienta sea económica, como algunos plásticos con relleno.

FIG. 4.12-1 Máquina para rectificado interno con plato de diafragma para sujeción por el diámetro exterior y dos husillos para las ruedas. (Cortesía: Bryant Grinder Corporation.)

PIEZAS CON ESMERILADO INTERNO

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Las paredes delgadas en todo o parte del contorno de las piezas o las interrupciones, como estrías o agujeros transversales, a menudo exigen un proceso abrasivo en vez de uno de corte. Una superficie con forma compleja y tolerancias precisas, se puede rectificar frecuentemente a menor costo por la facilidad con que la rueda abrasiva se restaura por afinado, comparado con la dificultad de conservar la forma, ya sea con una herramienta formadora o una guiada con plantilla. Debido a que la superficie de corte de la rueda abrasiva se renueva en forma continua por afinado y dado que puede eliminar cantidades de material muy pequeñas y con un control muy preciso, el rectificado interno puede ser más económico que el rectificado con buril de precisión, cuando las tolerancias son menos de 0.013 mm (0.0005 in) para el tamaño, de 0.0025 mm (0.0001 in) de redondez y 0.5 μm (20μin) para el acabado de superficie. Características que influyen en la elección entre rectificado interno y pulimento con piedras. Algunas de las características mencionadas también hacen que el pulimento con piedras sea un proceso adecuado o incluso preferible. (Para mayores detalles, véase el capítulo 4.16.) A continuación se hace un somero examen de los pros y contras de ambos procesos. El rectificado interno se vuelve difícil cuando la longitud del agujero excede de 1200 m (48 in) o de 6 veces el diámetro del agujero; esas longitudes no son problema para el pulimento con piedras. El rectificado interno en producción es práctico para agujeros con diámetros desde 2 m (80 in) hasta 1 mm (0.040 in) aunque, en ocasiones, el trabajo en el cuarto de herramientas se ha efectuado en tamaños todavía menores; el pulimento con piedras no se suele utilizar con diámetros mayores de 1 m (40 in) o menores de 6 mm (0.25 in). Ambos procesos se utilizan cuando hay interrupciones como estrías o agujeros transversales; pero el pulimento con piedras tiende a redondear las esquinas o remover mucho material en sus inmediaciones. Aunque ambos procesos son adecuados para agujeros ciegos, el rectificado interno penetra más cerca del extremo ciego. El pulimento con piedras requiere un despejo de 6 a 9 mm (1/4 a 3/8 in) de longitud, mientras que el rectificado es práctico con un despejo de 0.8 mm (0.030 in) o puede producir un radio de esquina de 0.25 mm (0.010 in) aunque se prefiere un despejo de 3 mm (1/8 in) de longitud. Si bien se pueden producir acabados finos de superficie, con ambos procesos, el rectificado sólo suele ser práctico para acabados de 0.13 a 0.2 um (5 a 8 μin) AA, mientras que el pulimento sólo es práctico hasta 0.05 μm (2 μin) o menos, pero sólo el rectificado produce ubicación y orientación precisas del eje del agujero con respecto a otras superficies; aunque ambos procesos pueden producir excelentes redondez y rectitud. Piezas y materiales habituales. Los agujeros con rectificado interno pueden ser cilindricos o cónicos, tener caras o rebordes en su interior, tener sección transversal no circular como en un anillo de una bomba de aspas o tener un perfil axial como en la cámara de un arma o en la pista (corredera) para cojinetes de bolas (baleros). A continuación se menciona una serie de aplicaciones comunes y razonables del rectificado interno: agujeros de aro interno y correderas del aro extemo de cojinetes de bolas y rodillos, agujeros y caras internas de tazas de uniones universales con cojinetes de agujas, agujeros en los cuerpos de levantadores hidráulicos de válvulas en automóviles, agujeros y asientos cónicos de cuerpos de toberas de inyección de combustible, agujeros y caras extemas de engranes o engranajes, agujeros de bielas, agujeros de balancines de válvulas, agujeros no circulares de bombas hidráulicas de aspas o de compresores de refrigeración, esferas internas y extemas de rótulas y de correderas de bombas de pistón axial, esferas internas, jaulas y correderas externas de uniones universales de velocidad constante (homocinéticas), bujes perforados, manguitos de cojinetes, agujeros y caras de husillos de máquinas herramientas e imanes o núcleos de metal o de cerámica, agujeros contorneados de recámaras de armas de fuego y dados para trefilar, agujeros de uniones cónicas para instalación de tubería de vidrio. La mayor parte de las piezas tienen agujeros con diámetro de 1 a 100 mm (0.040 a 4 in), pero hay muchas entre 100 y 500 mm (4 y 20 in) y algunas llegan a 2 m (80 in). Los materiales suelen ser aceros forjados con endurecimiento total o cementados, pero también incluyen aceros fundidos, nitrurados e inoxidables, hierro fundido, hierro con laminación magnética blanda, bronce, aluminio, diversos carburos de titanio y tungsteno, titanio, Alnico, ferrita, grafito, cerámicas, vidrio y plásticos con relleno de fibras de vidrio o de minerales. En las figuras 4.12-2 y 4.12-3 se ilustran piezas típicas con esmerilado interno.

Cantidades económicas para producción Debido a que no hay grandes costos iniciales para artículos como troqueles o moldes, no suele haber un tamaño mínimo de lote por abajo del cual el rectificado interno sería antieconómico.

FIG. 4.12-2 Piezas habituales rectificadas internamente. Las superficies internas de estas piezas, por rutina, se rectifican aunque tengan pared delgada, interrupciones y secciones transversales de contomo especial. (Cortesía: Bryant Grinder Corporation.)

FIG. 4.12-3 Piezas comunes con rectificado interno. (Cortesía: Bryant Grinder Corporation.)

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PIEZAS CON ESMERILADO INTERNO

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Por tanto, se puede rectificar una sola pieza. En el otro extremo, la producción de miles de piezas por hora durante muchos años puede resultar económica. El tamaño del lote y el volumen deseado de producción influyen en la decisión de comprar maquinaría o subcontratar el trabajo o adquirir maquinaria manual o totalmente automática. Las excepciones en que los costos iniciales pueden ser elevados, son los casos en que se requiere un rodillo rectificador con diamante formado, una plantilla de perfil axial o una leva de contomo de secciones transversales. Si las cantidades de producción lo justifican, incluso los trabajos comunes se beneficiarán con la inversión inicial en herramientas óptimas para sujeción y guiado de las piezas y, quizá, en costosas ruedas de diamante o de nitruro de boro cúbico si el material es difícil de rectificar. Para altos volúmenes de producción, por ejemplo piezas de cojinetes para vehículos automotores, el manejo es automático y con cantidades entre 100 y 600 piezas por hora por máquina, en máquinas que requieren un operador por cada 3 a 7 máquinas y un montador de herramientas por cada 10 a 20 máquinas. En esas máquinas, se requiere cambiar herramientas para cada pieza adicional en una familia de ellas; el tiempo es entre 10 y 60 minutos si las herramientas están preajustadas y si los ajustes en el ciclo de rectificado van de acuerdo con el programa de CCN.

Materiales adecuados Ciertos materiales, como insertos, soldadura de arco o gas, soldadura blanda o adhesivos aplicados en el material base, aumentarán el tiempo de rectificado porque requieren reacondicionar frecuentemente la rueda, si no se tiene una rueda de término medio que no se desgaste muy pronto en contacto con material duro ni se atasque con rapidez en contacto con material blando. Una buena elección es el acero cromado endurecido. El cobrizado o el cadmiado con acero endurecido puede ocasionar problemas ya que las inserciones de acero suave en acero endurecido o en una capa descarburizada sobre ésta, así como algunos rellenos de plástico en laminación para motores pueden producir gran cantidad de ranuras. Por razones similares, el diseño de las piezas debe permitir la eliminación poco costosa de materiales como costras embetunadas y blandas y la pintura de las superficies internas que se van a rectificar. En ocasiones se requiere un término medio, por ejemplo los aceros endurecidos al aire tienen buena estabilidad dimensional pero son más resistentes a la eliminación de material que los aceros endurecidos en aceite o agua, que son menos estables. Los aceros de aleación endurecidos son más difíciles de rectificar conforme aumenta la dureza del caburo del elemento de aleación formador de carburo, es decir, de cromo o molibdeno a tungsteno a vanadio. Un porcentaje creciente de carburo y, por tanto, de elementos de aleación (si se supone que hay suficiente contenido de carbono) también representa mayores dificultades. En cualquier aleación, la dureza Rc creciente también aumenta las dificultades para rectificar. Sin embargo, un aumento en el contenido de níquel sólo produce una ligera dificultad adicional. Los materiales blandos y dúctiles pueden requerir muy poca fuerza, pero se necesita una rueda que se desgaste con rapidez para que no se obstruyan sus poros. Algunos materiales blandos, como los aceros inoxidables austeníticos, requieren "maña" para rectificarlos porque actúan como si fueran blandos con cortes fuertes, pero se endurecen mucho por trabajo con cortes ligeros. Las características de libre maquinado de los aceros rcsulfurados también ayudan al rectificado, mas ese beneficio no es tan grande con aceros emplomados, que pueden tener distribución dispareja de plomo que ocasiona concentraciones locales excesivas de plomo que obstruyen la rueda. Los aceros con endurecimiento total se deforman menos que los que tienen endurecimiento superficial, aunque "crecen" más; el crecimiento no es problema porque la cantidad es pequeña y se puede predecir. El temple en realidad produce un alivio- de esfuerzos o igualación y, si se combina con las técnicas para temple y herramientas adecuadas, ayudará mucho a minimizar la deformación. En el capítulo 4.15 "Superficies con rectificado plano" se presentan valores específicos de facilidad de rectificado para los materiales adecuados para rectificado interno, porque el rectificado de las superficies planas y el interno son muy semejantes.

Recomendaciones para diseño Estandarización (normalización). Cuando un producto tiene cierto número de componentes con rectificado interno, el diseñador debe buscar la máxima cantidad de piezas mediante un diseño estándar para una pieza en lugar de dos o más diseños diferentes, si con ello se logran

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COMPONENTES MAQUINADOS

ahorros y se satisfacen los requisitos de funcionamiento. Cuando las piezas no pueden ser idénticas, se lograra mucho si se diseñan como parte de una familia de piezas con la mayor cantidad posible de características iguales. Este procedimiento suele permitir tener en cuenta todo el volumen de la familia cuando se trata de justificar la inversión para cierto grado de automatización del proceso; además minimizará el tiempo para preparación o cambios. Superficies para sujeción, guía e impulsión. Las piezas que se van a sujetar en un plato deben presentar superficies a las mordazas de sujeción de éste y hacia sus partes de guía o del dispositivo para cargar el plato. En las piezas de pared delgada se nota más la influencia de la calidad del diámetro exterior sobre la del diámetro interior. Las boquillas de sujeción tienen mayor tolerancia a la calidad del diámetro exterior, pero requieren mejor planicidad de la cara para evitar que se deforme el diámetro interior, salvo que éste sea muy corto o la pieza sea muy rígida. Si la pieza se impulsa con un aparato magnético para el rectificado sin centros interno, la cara de extremo de la pieza debe tener suficiente tamaño para buena sujeción magnética. Por lo general, suele ser suficiente una superficie igual al 25 % de la que se va a someter a rectificado interno. Longitud del agujero que se va a rectificar. Para los agujeros profundos y estrechos se requieren husillos o árboles huecos menos rígidos, que aumentan el tiempo para rectificado y las posibilidades de ondulaciones y vibraciones. Una regla empírica es evitar que las relaciones entre longitud y diámetro del agujero sean mayores de 6. El problema es menos serio conforme aumenta el diámetro y más serio cuando se reduce la facilidad de rectificado del material. Esta regla se aplica a la distancia de penetración del agujero así como a la parte rectificada (Fig. 4.12-4).

FIG. 4.12-4 Hay que evitar los agujeros con profundidad mayor de 6 veces el diámetro y distancias demasiado largas de penetración en el agujero rectificado, slavo que la superficie tenga suficiente anchura para dar soporte rígido al husillo de la rueda. Agujeros ciegos. El rectificado de un agujero ciego puede necesitar más tiempo porque el flujo del refrigerante o líquido enfriador en la zona de contacto entre la rueda y la pieza puede ser marginal, lo cual obliga a reducir la velocidad de avance; además, el flujo puede ser disparejo y esto dificulta mantener la rectitud y conicidad dentro de las tolerancias. Sin embargo, cuando es necesario, un agujero ciego resulta práctico siempre y cuando se requiera una esquina aguda en el fondo. Aunque se puede lograr un radio de esquina de 0.25 mm (0.010 in) es preferible un despejo o cuello previamente maquinados. Si el perfil deseado es una línea recta, un despejo de longitud axial mínima de 3 mm (1/8 in) minimizará los problemas con la rectitud y conicidad, porque permitirá suficiente movimiento alterno (reciprocación) de la rueda para corregir pequeñas desviaciones (Fig. 4.12-5). Interrupciones circunferenciales. Hay que evitarlas si es posible. Cuanto menos rígidos sean el husillo o el árbol hueco, mayor será la tendencia de la rueda a eliminar más material en las inmediaciones de un agujero transversal o producir un ligero redondeamiento de las esquinas de un cunero o una estría. Cuando esas desviaciones pueden exceder de las tolerancias, cabe reducirlas a expensas de un tiempo más largo para rectificado mediante la reducción de la velocidad de avance y del aumento del tiempo para que se apaguen las chispas.

PIEZAS CON ESMERILADO INTERNO

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Interrupciones axiales. Igual que con las circunferenciales, la rueda de movimiento alterno (reciprocante) eliminará más material cerca de una interrupción en la línea axial de contacto, como una ranura circunferencial para una válvula o un rebajo. Por contraste con el rectificado de diámetros exteriores, es mejor no practicar un rebajo en la parte central de un diámetro interior largo, aunque sólo se vaya a trabajar en los extremos del diámetro interior. Si el material de la pieza se rectifica con cierta facilidad con la rueda que se utiliza, las interrupciones axiales aumentarán el tiempo de rectificado sólo cuando el diámetro del agujero sea menor de 2 in y, al mismo tiempo, la relación longitud: diámetro del agujero sea mayor de 3. Este efecto suele ser insignificante con rectificado por penetración (sin reciprocación). Cantidad de material Aunque la cantidad de material no la especifique directamente el diseñador, suele ser resultado del diseño. En la tabla 4.12-1 se presentan las tolerancias sugeridas para el material que se debe dejar en rectificado interno. Dado que hay muchas variables como tipo y tratamiento térmico del material, calidad de operaciones anteriores y la rigidez de las herramientas para el rectificado interno que influyen en la cantidad mínima de material requerido, vale la pena hacer experimentos si la producción es en gran cantidad. Se puede emplear la tabla 4.12-1 como punto de partida. El diseño y planeación cuidadosos del proceso pueden permitir que se deje menos material del que aparece en la tabla. Empleo de una camisa o insertos. En algunos casos, FIG 412-5 Tratamiento de los agujeros los problemas relacionados con el material, suciegos. perficies de guía ti longitud de penetración se eliminan si se rectifica una camisa que, después, se coloca a presión o se integra en alguna otra forma a la pieza real menos adecuada. Hay que ponderar las ventajas en contra del costo de la pieza adicional y de los efectos de la acumulación de tolerancias. Otros métodos que se pueden considerar son el cromado o la aspersión con llama o plasma. Caras internas. Si es posible, se debe dejar un despejo (cuanto más grande, mejor) en el centro de una cara interna. Una razón es facilitar el flujo del refrigerante hacia la zona de contacto. Otra, es utilizar una rueda acopada en vez de una con contacto de cara de extremo casi completo, además de permitir que la rueda acopada tenga un diámetro mayor de la mitad del diámetro de la cara parcial. Con el contacto de cara de extremo casi completo no se rectifica bien, porque el refrigerante tiene poco acceso y por la baja velocidad de la superficie de la rueda cerca del centro de ella. Una rueda acopada esmerila mucho mejor pero deja una zona sin esmerilar en el centro de la cara, salvo que el borde de la rueda pase por el centro (Fig. 4.12-6). Agujeros con entrada confinada (reducida). La entrada debe tener el tamaño suficiente para dejar pasar una rueda de tamaño razonable e impedir la interferencia con el husillo o el árbol hueco, aunque la rueda esté un poco bastada (Fig. 4.12-7). Acceso para el refrigerante. Dado que una rueda para rectificado interno que gira a alta velocidad es un sello centrífugo "arrojador" muy eficaz, es difícil que el refrigerante llegue a la zona de contacto. En el diseño de la pieza hay que prever un flujo axial continuo o una boquilla apuntada a la parte del diámetro exterior de la rueda que va a penetrar en la zona de contacto. En piezas ciegas de tamaño grande, se ha logrado el flujo continuo con la introducción del refrigerante por medio de un husillo hueco para la rueda.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.12-6 Evítense los fondos rectificados planos. Un despejo central de la mitad o más del diámetro del agujero evita esmerilar la zona central, donde la velocidad superficial de la rueda es baja. El despejo de la esquina interna ayuda a dar planicidad.

FIG. 4.12-7 Agujero con entrada confinada (reducida),

Factores dimensionales Hay límites definidos para la perfección que se puede lograr en las dimensiones de las superficies de rectificado interno. Los factores importantes son las condiciones de la máquina, si las correderas están rectas y si el eje de la rueda, el eje de la pieza y el punto de contacto de la herramienta alisadora son coplanarios. Cualquier pieza con rectificado interno está sujeta a tolerancias en alguno de los siguientes factores: redondez, rectitud, conicidad (éstos combinados a veces como cilindricidad), concentricidad, escuadramiento, tamaño, ubicación en diversos sentidos, acabado de superficie, ondulación de la superficie, perfil axial y contomo transversal, todos los cuales se reflejan en los costos. Dado que la rueda abrasiva y el husillo o árbol hueco del rectificador interno deben ser lo bastante delgados y largos para penetrar dentro del agujero, tendrán rigidez limitada y ésta es la diferencia entre el rectificado interno y otros procesos de rectificado. Una rigidez muy reducida hace que la rueda siga la superficie existente en vez de generar una nueva y exacta. En casos extremos, puede ocasionar una cantidad inaceptable de ondulación o de vibración en la superficie rectificada. Esto por el desequilibrio de la rueda o la vibración autoexcitada entre la rueda y la pieza. Lo anterior dificulta el control del tamaño del agujero y la conicidad. Otro factor es el número pequeño de granos de abrasivo en contacto con la pieza cuando se utiliza una rueda pequeña, lo cual produce más desgaste y necesita que la rueda se afine con más frecuencia. Dichas condiciones se agravan si se utilizan materiales de poca facilidad de rectificado. La redondez de las superficies rectificadas internamente sin centros depende mucho de la redondez del diámetro exterior de la pieza de trabajo. La exactitud del rectificado interno de formas depende de la exactitud de la forma de la rueda y de los otros factores mencionados. Asimismo, la exactitud del perfil de agujeros no redondos depende de la precisión del mecanismo que controla la posición de la rueda abrasiva. Los factores que influyen en el acabado de superficie en el rectificado interno son muy similares a los de otros métodos de rectificado. (Véase Cap. 4.15.)

Recomendaciones para tolerancias Estas recomendaciones se basan en las normas de la industria de cojinetes antifricción.

PIEZAS CON ESMERILADO INTERNO

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En la tabla 4.12-2 se presentan las recomendaciones de tolerancias en los diámetros de los agujeros que incluyen el efecto de las desviaciones en conicidad y redondez, Los acabados de superficie entre 0.4 y 0.8 (un (15 y 30 μin) AA son normales para rectificado interno. Si se permite un acabado de superficie con aspereza mayor de 0.8 Jim (30 pin) AA, rara vez se ahorrará en el costo. Un acabado de superficie menor de 0.4 Jim (15 μin) AA prolongará mucho el tiempo para rectificado, aunque, a menudo, se pueden obtener acabados muy finos de 0.13 μm (5 μin). El escuadramiento de los agujeros y las caras o rebordes rectificados con una sola posición de la pieza de trabajo se pueden mantener con una aproximación de 0.00025 a 0.00063 mm (0.000010 a 0.000025 in), lectura total de desviación en el micrómetro (TIR). Si las operaciones se efectúan por separado, se recomienda una tolerancia para escuadramento de 0.005 mm (0.0002 in) TIR. Las mismas tolerancias se aplican al paralelismo. Las tolerancias para concentricidad con rectificadores con plato pueden ser de sólo 0.0025 mm (0.0001 in) TIR, pero se prefieren 0.013 mm (0.0005 in) TIR para máquinas con plato y sin centros. Las desviaciones en la redondez se pueden mantener con una aproximación de 0.0025 mm (0.0001 in) en los radios. La ubicación en sentido axial se puede mantener con facilidad dentro de +0.013 mm (±0.0005 in) y con cuidado y condiciones favorables en 0.0013 mm (0.00005 in). Para los contomos en sección transversal se suele permitir una desviación de 0.025 mm (0.001 in) en ambos lados del contorno perfecto, pero algunos se mantienen a 0.005 mm (0.0002 in).

TABLA 4.12-2 Tolerancias recomendadas para agujeros con rectificado interno Diámetro del agujero, mm (in) Tolerancia normal, mm (in)

0-25(0-1) 25-50(1-2) 50-100 (2-4) 100-200 (4-8) 200-400 (8-16)

±0.004(10.00015) ±0.005 (±0.0002) ± 0.008 (± 0.0003) ± 0.013 (± 0.0005) ± 0.020 (± 0.0008)

Tolerancia máxima, mm (in)

±0.0013 (±0.00005) ±0.0013 (±0.00005) ± 0.0025 (± 0.0001) ± 0.0032 (± 0.00013) ± 0.005 (± 0.0002)

CAPÍTULO 4.13

Piezas esmeriladas en forma cilíndrica en máquinas del tipo con centros

Wes Mowry Norton Company Worcester, Massachusetts

Proceso Aplicaciones usuales Costos y cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Factores dimensionales

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso Se utilizan dos procesos básicos para el rectificado de superficies cilíndricas extremas: rectificado con centros, en el cual la pieza de trabajo se fija en el husillo de la máquina, y rectificado sin centros, en el cual la pieza de trabajo gira libremente entre dos ruedas de rectificar opuestas. En el rectificado con centros, se suele sujetar la pieza de trabajo entre centros puntiagudos, igual que en un tomo. Sin embargo, también se puede sujetar con un plato o montarla en el plato de sujeción. La rueda abrasiva o de rectificar, excepto para superficies cónicas, gira sobre un eje paralelo al de la pieza de trabajo y tiene avance perpendicular hacia y en alejamiento de la pieza. Cuando es necesario, se puede dar movimiento transversal entre la rueda y la pieza con el movimiento de la mesa del cabezal y el contrapunto o, en algunas máquinas grandes, con el movimiento de la rueda. La mesa del cabezal y el contrapunto también se pueden girar para rectificar superficies cónicas. La rueda y la pieza se impulsan con motores separados para que se muevan en sentido opuesto en el punto de contacto. Cuando es necesario, se utilizan soportes fijos para la pieza durante el rectificado.

Aplicaciones usuales Los árboles (ejes, flechas) y pasadores (pernos) se suelen rectificar en máquinas del tipo con centros. Este proceso es adecuado para piezas con escalones (diámetros múltiples), conicidad y formas rectificadas. Se pueden rectificar diámetros hasta de 1.8 m (72 in) en las máquinas comerciales disponibles. La flexión de la pieza de trabajo limita el diámetro mínimo que se puede producir. El rectificado sin centros es más conveniente para pasadores delgados y largos. Un diámetro práctico mínimo para piezas cilindricas es de unos 3 mm (1/8 in). Las piezas de trabajo fundidas y forjadas con salientes cilindricas y otras piezas voluminosas e irregulares que no se pueden rectificar en máquinas sin centros, se pueden trabajar en máquinas con centros. Las piezas que se rectifican habitualmente en máquinas del tipo con centros son los muñones de cigüeñales, aros para cojinetes, árboles, husillos y pasadores de máquinas (en particular los que tienen conicidad), árboles, bujes, ejes, rodillos y piezas con superficie cilíndrica interrumpida, por ejemplo, los ejes (árboles) con estrías y ranuras o las piezas con agujeros (Fig. 4.13-1). El rectificado cilíndrico por inmersión está limitado a superficies pulidas de longitud menor que la anchura de la rueda.

Costos y cantidades económicas para producción El rectificado cilíndrico del tipo con centros es muy económico para corridas cortas y medianas de producción. El tiempo de preparación de estas máquinas es menor que en las máquinas

FIG. 4.13-1 El rectificado de roscas en las piezas ilustradas ejemplifica lo que se puede efectuar en rectificadoras del tipo con centros. (Cortesía: Jones & Lamson, Waterbury Farrel División of Textron, Inc.)

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COMPONENTES MAQUINADOS

sin centros; pero el tiempo del proceso es más largo si se tiene en cuenta el lapso para maquinar los centros en la pieza de trabajo. Las máquinas del tipo con centros tienen la ventaja de que se pueden emplear en cuartos de herramientas, trabajo experimental y producción en bajas cantidades sobre pedido. Cuando las cantidades son mayores de 100 piezas, resultará ventajoso en materia de costos usar la máquina sin centros. La mayor parte de las herramientas para rectificado con centros se prepara en 30 minutos o menos, en especial si la operación es manual y no varía el método de sujeción de la pieza de trabajo para piezas sucesivas. Se requiere más tiempo para rectificado de formas o en máquinas automáticas. El volumen habitual es de 10 a 130 piezas por hora; un promedio razonable es de 60 piezas por hora para operaciones en una sola superficie o con un solo corte.

Materiales adecuados Los materiales adecuados para rectificado cilíndrico del tipo con centros son los mismos que para otros procesos de rectificado. Véase una descripción de los materiales para rectificar en el capítulo 4.15 "Superficies con rectificado plano".

Recomendaciones para diseño Se hacen las siguientes sugerencias para el diseño de componentes para rectificado del tipo con centros: 1. Manténganse las piezas lo más balanceadas que sea posible a fin de tener mejores acabado y exactitud. 2. Evítense las piezas largas y de pequeño diámetro, ya que su tendencia a flexionarse con la presión de la rueda abrasiva entorpece el control de las dimensiones, rectitud, redondez y acabado del diámetro terminado. El empleo de soportes fijos, que se deben ajustar conforme se reduce el diámetro con el rectificado, es útil pero no satisfactorio. Las piezas con una longitud mayor de 20 veces su diámetro son las más problemáticas. Son preferibles las piezas con longitud menor a 8 diámetros. 3. Los perfiles formados pueden ser rectificados por formado y a veces hacerlo completamente complicado. Sin embargo, es preferible que los perfiles sean lo más sencillo que se pueda. Las siguientes características de las piezas de trabajo ocasionan dificultades o complican la alinea ción de la rueda abrasiva y se deben evitar, si es posible: a. Tangentes con radios. Son preferibles los radios sin tangentes o los rebajos angulares (chaflanes de rueda) (Fig. 4.13-2a). b. Ranuras en las piezas. Se deben eliminar o hacerlas lo menos profundas y más anchas que se pueda (Fig. 4.13.26).

FIG. 4.13-3 Las superficies interrumpidas reducen la exactitud de piezas de rectificado cilíndrico.

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COMPONENTES MAQUINADOS

c. Formas angulares y cónicas (Fig. 4.13-2c). d. Radios componentes (Fig. 4.13-2J). 4. Las superficies interrumpidas ocasionan problemas al rectificarlas y hay que evitarlas o bien, especificarlas a sabiendas de que el rectificado será menos preciso y más costoso. La superficie contigua a las interrupciones suele recibir un rectificado más profundo que las superficies continuas cercanas (Fig. 4.13-3). 5. Por lo general, los rebajos en las superficies confrontantes no se pueden lograr con rectificadoras cilindricas normales, excepto si son de muy poco fondo cuando se gira la rueda a ángulo y se hace rectificación especial o con las ruedas pequeñas que se emplean para rectificado interno. Si es posible, es mejor evitar los rebajos en ambos casos (Fig. 4.13-4). 6. Si se van a formar filetes, deben ser lo más grande que se pueda. Igual que en otros procesos de rectificado, el procedimiento preferido es maquinar o fundir un despejo en la pieza de trabajo en la unión de dos superficies rectificadas (Fig. 4.13-5). 7. Los agujeros de centros en las piezas montadas entre centros deben tener un ángulo exacto de 60° y configuración uniforme para tener rectificado cilíndrico preciso. Si la precisión del rectificado es básica, probablemente haya que asentar ("lapear") esos agujeros después del tratamiento térmico de la pieza de trabajo. 8. Las piezas tubulares, en especial si son de pared delgada, tendrán una ligera deformación si se sujetan en un plato de tres mordazas. Si la superficie externa rectificada se debe mantener dentro de límites precisos, puede ser necesario especificar una pared más gruesa o emplear un sistema de montaje con centros. 9. En el rectificado cilíndrico con centros, igual que en otros procesos de rectificado, es aconsejable que la eliminación de material sea mínima. El maquinado antes de rectificar debe ser lo más exacto posible.

TABLA 4.13-1 Tolerancias dimensionales recomendas para piezas rectificadas con centros Tolerancia recomendada Dimensión Diámetro Paralelismo Redondez Acabado de superficie

Normal ±0.0125 mm (0.0005 in) ± 0.0125 mm (0.0005 in) ±0.0125 mm (0.0005 in) 0.2 μm (8 μin)

Precisa ±0.0025 mm (0.0001 in) ± 0.0050 mm (0.0002 in) ±0.0025 mm (0.0001 in) 005 μm (2 μin)

Factores dimensionales El rectificado cilíndrico con centros es un proceso de alta precisión. Igual que en otros procesos de maquinado, la exactitud de las dimensiones finales refleja las condiciones del equipo y la pericia .del operador. Los cojinetes, centros o correderas de máquina gastadas, enfriamiento deficiente, ruedas abrasivas incorrectas y la flexión de la pieza de trabajo perjudican la precisión y las dimensiones de la pieza acabada. La conservación de la posición correcta por medio de soportes fijos para piezas largas es muy importante. Otro factor es la exactitud, en especial la redondez, de los agujeros de centros en las piezas de trabajo. Siempre se debe utilizar la piedra adecuada y el avance y velocidad correctos. En la tabla 4.13-1 se presentan las tolerancias dimensionales recomendadas para las piezas rectificadas cilíndricamente en producción normal.

CAPÍTULO 4.14

Piezas esmeriladas sin centros

L. J. Piccinino Norton Company Worcester, Massachusetts

Proceso Aplicaciones usuales Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Factores dimensionales

4-152 4-152 4-153 4-154 4-154 4-155

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso El rectificado sin centros es un método con abrasivo para el acabado de superficies cilíndricas. Las piezas de trabajo no están montadas sino que pasan entre dos ruedas de rectificado opuestas. Hay algunas variantes de este proceso. En el rectificado sin centros con avance continuo, la pieza pasa en sentido axial entre la rueda principal abrasiva y la rueda reguladora; una cuchilla de metal soporta la pieza a la altura correcta. Este método está limitado a piezas cilindricas sin cabezas, rebordes u otros salientes que podrían impedir el avance de la pieza entre las ruedas y se ilustra en la figura 4.14-1.

FIG. 4.14-1 Rectificado sin centros con avan- FIG. 4.14-2 Rectificado sin centros sin avance continuo. ce. (Cortesía: Cincinnati Milacron).

El rectificado sin avance difiere en que la pieza de trabajo no se mueve en sentido axial durante el rectificado y que la rueda se puede configurar a la forma en que se va a rectificar la pieza. El proceso es semejante al rectificado de formación en una rectificadora cilíndrica. La rueda abrasiva o rectificadora se avanza contra la pieza y se retrae para quitar la pieza. El método sin avance no es tan rápido como el de con avance (Fig. 4.14-2). El rectificado de avance limitado se emplea para piezas cónicas. La rueda abrasiva o la rueda reguladora se afinan a la conicidad necesaria. La pieza se avanza en sentido axial hasta un tope fijo (Fig. 4.14-3). El rectificado interno sin centros se utiliza para piezas anulares y camisas. La pieza se soporta entre tres rodillos que la guían y ha cen girar. Una rueda abrasiva interna elimina el material. Dado que la pieza está guiada desde su superficie externa, la superficie in terna acabada tiene máxima concentricidad . con la extema. FIG. 4.14-3 Rectificado sin centros con avance limitado.

Aplicaciones usuales El rectificado sin centros se emplea en piezas macizas con diámetros desde 0.1 mm (0.004 in) hasta 175 mm (7 in). Los anillos y tubos un poco más grandes, hasta 250 mm (10 in) de diámetro, se pueden rectificar sin centros con equipo generalmente disponibles. Las piezas con longitudes desde 10 mm (0.4 in) hasta 5 m (16 ft) se rectifican sin centros.

PIEZAS ESMERILADAS SIN CENTROS

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El rectificado sin centros produce superficies cilindricas precisas. El método es ideal para pasadores, ejes y anillos cuando se necesitan diámetros exteriores, redondez precisa y superficies lisas, o las tres cosas, con tolerancias exactas. Las piezas largas y delgadas que se pueden flexionar con el rectificado cilindrico convencional, se acaban con exactitud con el método sin centros. Las roscas de tornillos también pueden rectificarse con este proceso. Para esmerilado con avance continuo, la superficie que se va a esmerilar debe ser absolutamente cilindrica. Si tiene dos o más diámetros, sólo el diámetro mayor se puede rectificar con avance. En la figura 4.14-4 se ilustran diversas piezas rectificadas sin centros, con avance continuo. El método sin avance es un poco más lento pero ofrece la ventaja de que se pueden producir superficies con diámetros mútiples o formadas. Las piezas cónicas o las que tienen rebordes se rectifican con este método. Los ejemplos habituales son las levas de válvulas, árboles, clavijas de yugos, tomillos de grilletes ("columpios") y ejes de distribuidores.

Cantidades económicas para producción El rectificado sin centros es un proceso para producción en serie, pues incluye gran volumen de producción y dimensiones acabadas precisas.

FIG. 4.14-4 Variedad de piezas producidas con rectificado sin centros con avance continuo. (Cortesía: Cincinnati Milacron).

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COMPONENTES MAQUINADOS

Las piezas cortas rectificadas con avance continuo y alimentación automática o por tolva, se pueden producir a razón de 6000 piezas por hora. Se requiere mucho más tiempo para rectificado con avance limitado o sin avance, en particular este último, cuando son piezas de gran diámetro, con mayor eliminación de material y diámetros múltiples. Para rectificado sin avance, es normal un volumen de 30 a 240 piezas por hora. Para rectificado con avance continuo, el volumen de producción se suele expresar en términos de longitud procesada por minuto. La velocidad va de 1 a 4 m/min (3 a 12 ft/min) por pasada hasta 9 m/min (30 ft/min). Quizá se necesiten de una a seis pasadas. El rectificado sin centros es más rápido que el cilíndrico convencional, porque el tiempo de carga y descarga es mucho más corto. Además, no se necesita taladrar agujeros de centros en los extremos de la pieza de trabajo. El tiempo de preparación para rectificado sin centros puede variar desde unos minutos hasta 4 h, según los cambios requeridos y el tipo de máquina. A veces, un cambio en el material de la pieza puede requerir más tiempo de preparación que cambiarla, pues también puede incluir cambios en las ruedas y en el refrigerante. Los talleres que trabajan sobre pedido o "maquila", pueden agrupar lotes de piezas del mismo material y casi del mismo diámetro y trabajar 100 piezas o menos a un costo económico. La justificación del rectificado sin centros en comparación con el cilíndrico con centros depende de la disponibilidad de equipo, ruedas y de la complejidad de las piezas que se van a rectificar. Las piezas de un solo diámetro se pueden trabajar con la misma facilidad con el método sin centros que con centros en cantidades de 10 a 25 o más piezas. Se pueden necesitar 1000 piezas complejas para justificar el método de rectificado sin centros.

Materiales adecuados Se puede trabajar la misma diversidad de materiales con rectificado sin centros que con los otros métodos para rectificado. Sin embargo, tiene una gran ventaja: es más adecuado para piezas y materiales quebradizos, frágiles y de fácil deformación que el tipo con centros. Con el método sin centros, las piezas se soportan a toda o casi toda su longitud y la presión de la rueda no produce presión longitudinal ni flexión. Esto hace que el rectificado sin centros de vidrio, porcelana, hule, plásticos, corcho y otros materiales frágiles o de fácil deformación resulte más práctico. En el capítulo 4.15 "Superficies con rectificado plano", se presenta mayor información de los materiales adecuados para el rectificado en general.

Recomendaciones para diseño Los diseñadores que quieran aprovechar al máximo el rectificado sin centros deben tener en cuenta las siguientes sugerencias: 1. Si es posible, la superficie de la pieza de trabajo por rectificar debe ser la de mayor diámetro para poder esmerilar con avance continuo (Fig. 4.14-5).

PIEZAS ESMERILADAS SIN CENTROS

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2. En las piezas cortas es más probable que se produzcan superficies cónicas, cóncavas o convexas no especificadas. Para evitar esto, la longitud de la superficie rectificada debe ser, cuando menos, igual a un diámetro (Fig. 4.14-6). 3. En las piezas de formas irregulares, la superficie rectificada no puede tener una longitud mayor que la anchura de la rueda abrasiva, salvo que la configuración permita esmerilar sin avance o con avance continuo combinados (Fig. 4.14-7). 4. Es preferible evitar el rectificado de los extremos en las piezas trabajadas sin avance. Esta restricción incluye los radios en los extremos de las piezas. Si hay que hacer el acabado de un extremo, evítense los extremos cuadrados, casi cuadrados o redondos. El ángulo incluso de un extremo puntiagudo debe ser de 120° o menos (Fig. 4.14-8). 5. Igual que en el rectificado cilíndrico, hay que evitar filetes y radios y, en vez de ellos, producir superficies con rebajos o despejos. Esto elimina la difícil afinación de la rueda cuando hay un filete (Fig. 4.13-2a). Si se uti lizan radios o filetes, deben ser lo más grande que se pueda y todos han de ser del mismo tamaño en la misma pieza para simplificar la afinación de la rueda. 6. Cuando se diseña una pieza para formarla con rectificado sin centros sin avance, la forma sin avance y con avance debe ser lo más sencilla que se pueda para L puede ser ≥ que W reducir los costos de afinado de la rueda y otros. FIG. 4.14-7 Las piezas con superficie irregular 7. Si la exactitud es básica, evítense los cuñeno pueden ser más largas que la anchura de ros, caras planas, agujeros y otras interrupciola rueda abrasiva, salvo que se emplee rectines en la superficie que se va a rectificar o, ficado con y sin avance y que la pieza esté en su defecto, deben ser lo más pequeño que escalonada en su sentido, como se ilustra. se pueda (Fig. 4.13-3). 8. Si en el extremo de un eje se requiere una cara plana para colocar un tornillo prisionero o por alguna otra razón y si las tolerancias son muy estrictas, es preferible formar caras planas en ambos extremos de la pieza. Esto evita la tendencia a que se produzca un punto alto frente a la cara plana. Otra solución es mantener una sección totalmente cilíndrica en el extremo del eje (Fig. 4.14-9).

Factores dimensionales El rectificado sin centros, igual que otros métodos de rectificado, puede ser de gran precisión si todas las condiciones están correctas, como son la condición del equipo, en particular los

FIG.4.14-8 No se diseñen extremos de piezas rectificadas sin centros de modo que tengan superficies rectificadas, salvo que se utilice rectificado sin avance y que la superficie de extremo tenga un ángulo menor de 120°.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.14-9 Cuando las interrupciones son inevitables, hay que "balancearlas" si es posible o producir superficies totalmente cilíndricas en ambos lados. cojinetes del husillo de la rueda, la rueda y el refrigerante correctos y la uniformidad de temperatura de la pieza de trabajo, la máquina y el refrigerante. El control de la redondez en el rectificado sin centros es muy adecuado, aunque la pieza no gire en torno a un centro fijo. La razón es la configuración del montaje de la rueda rectificadora, la rueda reguladora y el soporte de la pieza de trabajo que, si está correcta, hará que el rectificado elimine los puntos altos de la pieza al hacerla girar contra las ruedas.

TABLA 4.14-1 Tolerancias dimensionales recomendadas para piezas rectificadas sin centros Tolerancia recomendada Dimensión Diámetro Paralelismo Acabado de superficie

Normal ± 0.0125 mm (± 0.0005 in) ±0.0125 mm (±0.0005 in) 0.20 μm (8 M¡n)

Precisa ± 0.0025 mm (± 0.0001 in) ±0.0025 mm (±0.0001 in) 0.05 μm (2 / μin)

Otro factor favorable del rectificado sin centros es que la posición de la rueda rectificadora influye en el diámetro de la pieza más bien que al radio desde su punto central, como ocurre con el rectificado cilíndrico convencional. Por tanto, en la exactitud de las posiciones de la rueda se incluye un factor de 2. En la tabla 4.14-1 se presentan recomendaciones de tolerancias dimensionales para piezas rectificadas sin centros.

CAPÍTULO 4.15

Superficies esmeriladas planas R. Bruce MacLeod Vicepresidente Taft-Peirce Supfina Cumberland, Rhode Island

Proceso de rectificado de superficies Características típicas de las piezas con superficie rectificada Cantidades económicas para producción Materiales adecuados para rectificar Recomendaciones para diseño Dimensiones y acabados Rectificado con banda abrasiva Rectificado con bajo esfuerzo

4-158 4-158 4-159 4-161 4-161 4-166 4-167 4-168

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso de rectificado de superficies El rectificado de superficies es un proceso en el cual se mueve una pieza de trabajo en un plano horizontal para que pase debajo de una rueda abrasiva de modo que se elimine una cantidad precisa de material y se produzca una superficie plana. (El término "rectificado de superficies", se aplica a superficies planas en vez de cilíndricas.) En la figura 4.15-1 se ilustran esquemáticamente varios tipos de rectificadoras de superficie. La más común, con husillo horizontal para la rueda y mesa de movimiento alternativo (reciprocante), se ilustra en la figura 4.15-2. En las máquinas con husillo horizontal, la mesa de trabajo o la rueda avanzan una corta distancia con cada carrera alternativa de la mesa. La rueda genera una superficie plana. En las máquinas con husillo vertical, las ruedas suelen ser acopadas y las superficies planas se pueden generar con una sola pasada de la pieza de trabajo debajo de la rueda. Las rectificadoras suelen tener platos magnéticos para sujetar la pieza de trabajo. Cuando se rectifican materiales no magnéticos, se emplean prensas de tornillo, otros sujetadores, platos de vacío o adhesivos. La eliminación del metal en el rectificado se produce por la acción cortante de las partículas abrasivas, de forma irregular, que forman la rueda junto con un aglutinante. Los abrasivos más comunes son óxido de aluminio, carburo de silicio, diamante y nitruro de boro cúbico. Los aglutinantes habituales son materiales vitrificados (arcillas fundidas), silicatos, diversos tipos de plásticos o hule y metales. La rueda conforme corta, se desgasta y algunos granos del abrasivo se alisan pero otros se fracturan o se desprenden de la rueda. En estos casos, se producen nuevos bordes agudos de abrasivo que continúan la acción cortante de la rueda. Es aconsejable afinar la rueda cada cierto tiempo; esta afinación, que se suele hacer con una herramienta con punta de diamante, rompe o elimina los granos de abrasivos que están lisos por el desgaste y devuelve la configuración a la superficie de corte de la rueda.

Características típicas de las piezas con superficie rectificada Las superficies de las piezas se rectifican por diversas razones: 1) para producir una superficie plana; 2) producir una dimensión deseada, por lo general muy precisa; 3) producir un acabado

FIG. 4.15-1 Método para rectificado de superficies. (Tornado de American Machinist.

SUPERFICIES ESMERILADAS PLANAS

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FIG. 4.15-2 Rectificadora de superficies común con husillo horizontal y mesa de movimiento alternativo. (Cortesía: Taft-Peirce Manufacturing Co.) liso en la superficie; 4) producir una superficie perfilada (aplicación menos común), y 5) afilar herramientas de corte. Originalmente, este proceso se destinaba a eliminar material en piezas endurecidas, para acabado fino y trabajo con tolerancias precisas. Ahora se ha ampliado su aplicación e incluye el maquinado abrasivo, proceso que compite con el fresado para la eliminación veloz de metal. Cada tipo de rectificadora se presta para una pieza o proceso particulares. Las piezas como correderas de dmáquinas, paralelas de precisión, moldes y troqueles, figuras 4.15-3 y 4.15-4, son rectificadas en una máquina con husillo horizontal y mesa de movimiento alternativo. Los bloques, mesas y piezas de fundición en bruto, de gran tamaño, se trabajan en una rectificadora de husillo vertical con mesa rotatoria. A menudo se rectifican sin ninguna operación preliminar. Hay pocas limitaciones en el tamaño de las piezas para rectificado de superficies. Las rectificadoras con mesa de movimiento alternativo están disponibles en tamaños de mesa entre 125 X 250 mm (5 X 10 in) hasta 1.2 X 6 m (48 X 240 in). Las de mesa rotatoria tienen diámetros de mesa entre 150 y 4400 mm (6 y 174 in). No hay muchas limitaciones para los materiales que se pueden rectificar, los más comunes son los ferrosos que se sujetan con planos magnéticos. La dmayor parte de las piezas ferrosas con rectificado de superficies también están endurecidas. Los materiales no ferrosos incluyen latón, plástiacos y vidrio.

Cantidades económicas para producción Para el rectificado normal de superficies se requiere mucho menos tiempo de preparación que con otros tipos de máquinas para eliminación de material. Casi todas las piezas que se trabajan en rectificadoras de husillo horizontal y mesa de movimiento alternativo, son duras

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.15-3 Estos elementos de una matriz de punzonar para un "blanco" de llaves son habituales para rectificado de superficie. (Cortesía: Taft-Peirce Manufacturing Co.)

FIG. 4.15-4 Rectificado de superficie de una serie de elemento para una brochadora. (Cortesía: O.S. Walker Col, Inc.)

y magnéticas. Por tanto, a menudo se utiliza la misma rueda y el mismo plato magnético con diferentes configuraciones de piezas. El costo de las herramientas suele ser bajo porque las ruedas y los platos son para uso general, aplicables a una gran variedad de piezas. En las rectificadoras de husillo horizontal se utiliza una rueda que sólo tiene contacto lineal con la pieza. Por ello, si se va a eliminar mucho material, se necesitan varias pasadas de la pieza debajo de la rueda para lograr el tamaño correcto. Esto significa que la rectificadora de husillo horizontal no es la más eficiente para un volumen de producción alto, salvo que la pieza de trabajo no se preste para utilizar una máquina de husillo vertical.

SUPERFICIES ESMERILADAS PLANAS

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Estos factores hacen que la rectificadora de husillo horizontal y mesa alternativa sea la más ventajosa para bajo volumen de producción. Las rectificadoras pequeñas, manuales, para cuarto de herramientas que no tienen topes ni avances que ajustar son ideales para hacer una sola pieza, como moldes, troqueles, calibradores y herramientas de corte. El rectificado de superficies en gran volumen resulta más eficiente con las máquinas de husillo vertical y mesa rotatoria. Las piezas se pueden cargar en forma automática sobre un plato o dentro de un dispositivo especial, y se hacen girar debajo de la rueda, la cual se ubica en forma automática para eliminar la cantidad deseada de material y descarga automáticamente cuando la mesa se separa de la rueda. Las rectificadoras de husillo vertical pueden ser suministradas hasta de 300 ph lo cual, combinado con la gran superficie de contacto de la rueda, significa, que muchas veces, se puede remover la cantidad deseada de material en una sola pasada. Si se necesita más de una pasada, se pueden emplear dos husillos; la primera rueda es para desbastar y la segunda para el acabado.

Materiales adecuados para rectificar Casi cualquier material se puede configurar por rectificado. En la práctica, es el único método idóneo para trabajar materiales duros o quebradizos como vidrio, cerámicas y carburo de tungsteno. Aunque hay diferencias en la facilidad para trabajar diversos materiales, éstas no se reflejan en las velocidades recomendadas para rectificar, sin embargo, las diferencias en la facilidad de maquinado sí se reflejan en las velocidades y avances recomendados en máquinas para corte de metales. El efecto principal de las diferencias en la facilidad para rectificado consiste en los requisitos de la rueda adecuada. El acero al carbono y de aleación y otros metales de alta resistencia a la tracción, endurecidos o no, se rectifican con ruedas de óxido de aluminio, que es el más común. Para materiales duros y frágiles como los carburos, piedra y cerámicas, se prefiere el diamante, aunque también se puede emplear carburo de silicio. El hierro fundido se trabaja con ruedas de carburo de silicio, igual que otros materiales de baja resistencia a la tracción como latones blandos, bronce, aluminio, cobre, plástaico y otros materiales no metálicos. Los aceros endurecidos para herramientas y troqueles, que son difíciles de rectificar, se trabajan con ruedas abrasivas de nitruro de boro cúbico. La facilidad de rectificado se suele expresar en términos de relación de rectificado, la cual es la razón entre el volumen de material eliminado de la pieza de trabajo y el volumen de material perdido por el desgaste de la rueda. Cuando más alta sea la relación de rectificado, más fácil es trabajar el material. Desafortunadamente, la relación para un material particular de una pieza no es constante para ese material. Sólo se aplica a un grupo particular de condiciones: un solo método, rueda, velocidad, avance, etc. Sin embargo, es una indicación de la facilidad de rectificado que uno más difícil, si la rueda y las condiciones de operación son las correctas. La facilidad de rectificado rara vez es un factor en la selección de materiales. Suelen ser más importantes los factores funcionales y la facilidad de procesamiento con otras operaciones primarias. Sin embargo, cuando la facilidad de rectificado es importante para la selección del material, se toma en cuenta: 1) los materiales sin endurecer se rectifican con más rapidez que los endurecidos; 2) los materiales muy blandos suelen ser difíciles para rectificar porque obstruyen la rueda y no se logra un acabado tan liso y brillante como con aleaciones duras (esto ocurre end particular con metales no ferrosos blandos como el aluminio, el cobre, etc; 3) en general, la facilidad de rectificado suele ser comparable con la de maquinado. Por ejemplo, los aceros resulfurados con elevada clasificación de facilidad de maquinado, también la suelen tener para el rectificado. Las tablas 4.15-1 (aceros inoxidables), 4.15-2 (aleaciones resistentes al calor), 4.15-3 (aceros para herramientas) y 4.15-4 (metales refractarios) presentan la facilidad relativa de rectificado de materiales en que este proceso tiene un alto costo.

Recomendaciones para diseño Por lo general, no se diseña una pieza en forma específica para rectificado de superficie, a menudo, es un paso necesario en una serie de operaciones de maquinado para terminar una

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COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4.15-1 Relaciones de facilidad de rectificado de aceros inoxidables*

Acero

Condición

Dureza Rockwell

Refrigerante

Grupo 1 AM-355 310 AM-355 304 17-4 PH D3

Recocido en solución Laminado en caliente Endurecido por precipitación Laminado en caliente Endurecido por precipitación Acero de herramientas endurecido

B95 B92 C42 B77 C45 C60

7 8 9 9 9 9

Grupo 2 302 316 440C 430 440A

Laminado en caliente Laminado en caliente Endurecido Laminado en caliente Endurecido

B81 B76 C55 B91 C53

15 17 19 21 23

B91 C22 B83 B98 B81 B67 B85,

40 40 50 55 65 65 85

Grupo 3 440A 440C 202 410 314 1020 1019 410

Recocido Recocido Laminado en caliente Recocido Laminado en caliente Acero al carbono laminado en caliente Acero al carbono estirado en frío Endurecido

C41

85

Grupo 4 303† 303† 303 430F 416 416

Recocido Estirado en frío Laminado en caliente Laminado en caliente Endurecido Laminado en caliente

B85 B98 B78 B81 C42 B89

110 110 220 240 550 600

•Cortesía Metals Handbook, 8a. ed., vol. 3, Machining, American Society fot Meláis, Metals Parle, Ohaio, 1967. Se citan, en cursivas, un acero para herramientas y dos aceros al carbono sin aleación. †Bajo contenido de azufre.

pieza. Como puede ser necesario para el acabado de la pieza, hay que tenerlo en cuanta al diseñar la pieza para facilitar el trabajo. La cantidad de piezas que se van a producir es un factor importante para el diseño. Si la producción va a ser en gran volumen, diséñese la pieza para rectificarla en una máquina de husillo vertical. Esto significa que no debe tener ninguna superficie más alta que la que se va a trabajar (Fig. 4.15-5). También significa que la pieza será magnética o que se puede sujetar con facilidad en un dispositivo automático. Una pieza que se hará en grandes cantidades y formada por rectificado o que tenga salientes en la superficie que se va a trabajar, se debe diseñar para máquina de husillo horizontal con mesa motorizada. Igual que en la máquina de mesa rotatoria, se prefiere material magnético, aunque se pueden usar sujetadores más complicados.

SUPERFICIES ESMERILADAS PLANAS

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TABLA 4.15-2 Relaciones de facilidad de rectificado de varias aleaciones resistentes al calor en una sola prueba* Aleación S-590 S-816 16-25-6 Nimonic 80 HS-21 A-286 J-1570

Condición

Relación de rectificado

A A A A B B B

13 9 5.5 2.3 240 32 7.7

*Dalos de Metals Handbook, 8a. ed., vol 3, Macfainmg, American Society for Meláis, Metals Park, Ohio, 1967. † Condición A: rueda abrasiva A-46J8-V con avance descendente de 0.002 in por pasada. Refrigerante pan esmerilar H4 (contiene materiales grasos y jabones sintéticos) en concentración de 4S6. Condición B: rueda abrasiva A-6O-J8-V con avance descendente de 0.002 in por pasada. Fluido para esmerilar 02 (aceite oscuro sulfoclondo con contenido de grasas) en concentración de 100%.

TABLE 4.15-3

Relative Grindability of Tool Steels*

Facilidad de rectificado

Aceros

Baja

A7, D7, M3 (Clase 2), M4, M15, M43, M44, T3, T9, T15

Mediana

A2 hasta A6, A8 hasta A10, D1 hasta DS, aceros H (y otros aceros para trabajo en callente como Q6), MI, M2, M7, M10, T1,T4, aceros F, P4

Alta

Aceros O, aceros W, aceros S, aceros L, aceros P excepto P4

• De Metals Handbook, 8a. ed., vol. 3: Machining, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1967.

evitar el rectificado de superficie. En los planos de la pieza se especifican las tolerancias y acabados más liberables que sea posible, para que el ingeniero de manufactura no esté sujeto a especificar el rectificado, sino que pueda emplear el método de eliminación de material más económico. A continuación se presentan otras recomendaciones para diseño de piezas con rectificado de superficie. 1. Diséñese la pieza para sujetarla con facilidad con platos magnéticos. Lo mejor son las superficies de guia grandes y plantas. 2. No se especifique un acabado de superficie mejor que el necesario. El material se puede eliminar con más rapidez con ruedas de grano grueso que no dejan un acabado tan liso como las de grano fino y baja velocidad. El rectificado por formado no produce un acabado tan fino como cuando se utiliza movimiento transversal de la rueda. Si es factible el rectificado por formado para una pieza, se debe especificar un acabado con amplias tolerancias. 3. Diséñese la pieza de modo que, hasta donde sea posible, todas las superficies que se van a rectificar estén en el mismo plano (Fig. 4.15-6).

SUPERFICIES ESMERILADAS PLANAS

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FIG. 4.15-5 Evítese diseños que incluyan superficies más altas que la que se va a rectificar, porqu e obstru yen el movimiento de la ru eda abrasiva.

FIG. 4.15-6 Rediseño de soporte para cojinete de cigüeñal. Se ahorró al hacer que la pieza fuera adecuada para rectificarla en una sola pa sada. Se eliminaron los rebordes en A para poner toda la superficie rectificada en un plano. Se modificó la superficie B. para eliminar la interferencia en el acceso. (Cortesía: Machine Design).

4. Si se requieren superficies muy planas, evítense las aberturas en la superficie porque la rueda corta a un poco más de profundidad en el borde de una interrupción. Hay que evitar las superficies sin soportar que se flexionan con la presión de la rueda (Fig. 4.15-7). 5. Cuando rectifican ranuras u otras formas en la rectificadora de superficies, se aplican las mismas reglas que para las esquinas en rectificado cilíndrico: es preferible una esquina rebajada a una aguda o curva. 6. Evítense los cortes ciegos, o sea los diseños que obligan a detener la rueda durante el corte o hacerla girar en reversa y con muy poca holgura.

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.15.7 Si la planicidad es fundamental, evítense las aberturas en la superficie rectificada y zonas mal soportadas que se flexionen con la presión de la rueda abrasiva.

7. En el deseño se debe prever la mínima eliminación de material por rectificado, en especial si se utiliza máquina de husillo horizontal. 8. Evítense las secciones muy delgadas, porque pueden ocurrir quemadura o combadura. 9. Cuando sea posible, evítense los materiales desiguales. Pueden surgir problemas por la obstrucción de la rueda y las diferencias en el crecimiento. 10. Indíquese con claridad en los planos a rectitud y paralelismo permitidos y requeridos.

Dimensiones y acabados En las rectificadoras de superficies se obtienen tolerancias de espesor menores de ±0.0025 mm (0.001) in) y de planicidad de menos de duna banda ligera. Sin embargo, para producción se sugieren las tolerancias más amplias recomendadas en la tabla 4.15-5. Las variaciones dimensionales en las superficies rectificadas planas tienen la influencia de los mismos factores que el rectificado cilíndrico: condiciones de la máquina, exactitud y limpieza del plato o dispositivo, lo adecuado de la rueda y el refrigerante utilizados, velocidad de la rueda, profundidad del corte y velocidad de recorrido, facilidad de rectificado del material, uniformidad de la temperatura, ausencia de esfuerzos internos en la pieza de trabajo y otros factores. La rectitud y la planicidad se alteran según la técnica que emplee el operador; si son básicas, el diseñador debe especificar una operación de desesforzado antes del rectificado de acabado. Además, la rectitud debe estar en relación con la longitud, por ejemplo: "recta con una aproximación de 0.0001 in/ft" o "una desviación no mayor de 0.005 mm de la línea recta en cualquier sección de 60 cm". El acabado de superficie suele ser el resultado del tiempo del procesamiento, cuanto mejor sea el acabado requerido, más tiempo se requerirá para rectificar una zona dada. La reducción en el avance y la velocidad de recorrido de la rueda permiten mejores acabados, igual que el tiempo para extinción de chispas, que es un factor importante. Otros factores que producen acabados de superficie más lisos son el empleo de ruedas de grano fino, de fluidos para esmerilar, recorrido lento, afinado de la rueda con diamante, balancear la rueda y emplear pieza de trabajo de material endurecido pero con facilidad de rectificado.

SUPERFICIES ESMERILADAS PLANAS

4-167

TABLA 4.15-5 Tolerancias recomendadas para piezas planas rectificadas Producción

Tolerancia

Máquinas con husillo vertical: mesa rotatoria o de movimiento alternativo Producción normal Tamaño Acabado Máxima factible Tamaño Acabado

± 0.025 mm (0.001 in) 0.8 μm (32 μin) and up ± 0.0025 mm (0.0001 in) 0.05 μm (2 μin) and up

Máquinas con husillo horizontal Producción normal Tamaño Acabado Corridas cortas Tamaño Acabado Cuarto de herramientas Tamaño Acabado

±0.025 mm (0.001 in) 0.5 nm (20 μin) and up ±0.0025 mm (0.0001 in) 0.2 μm (8 μin) and up ±0.0013 mm (0.000050 in) 0.05 μm (2 μin) and up

Rectificado con banda abrasiva En el rectificado con banda abrasiva, llamado a veces maquinado con banda abrasiva, se emplea una banda de tela revestida con abrasivo en vez de una rueda maciza. La banda pasa sobre varias poleas y una de ellas, llamada rueda de contacto, aplica presión de oposición en la pieza de trabajo en el punto de contacto. Hay bandas hasta de 3 m de anchura que permiten abarcar toda la superficie en una sola pasada. Se utilizan velocidades de superficie de 1070 a 2280 m/min (3500 a 7500 ft/min) y altas presiones de contacto. Hay equipo de banda abrasiva para rectificado de superficies, rectificado cilíndrico entre centros y rectificado sin centros. No se puede hacer rectificado interno con las bandas. Hay equipo de banda abrasiva para rectificado de superficies, rectificado cilíndrico entre centros y rectificado sin centros. No se puede hacer rectificado interno con las bandas. El rectificado con banda abrasiva es muy útil para remover cantidades considerables de material en superficies grandes. Compite y muchas veces es superior al fresado, brochado y cepillado en esas condiciones. Los ejemplos típicos son la eliminación de la escoria de las planchas de acero empleadas en la fabricación de equipo para construcción, acabado de superficies planas en bloques de cilindros de motores Diesel y restauración de planchas de fundición grandes y gruesas que se puedan haber combado después de años de servicio. Las piezas de trabajo, en este tipo de rectificado, suelen permanecer frías porque la banda disipa el calor, con lo cual se minimizan los daños por calentamiento. Las rebabas también son mínimas. No es factible el rectificado de formas. No es rara la eliminación de metal a razón de 100 cm3/min (6 in3 /min) y es factible lograr 600 cm3 /min (37 in3/min) con máquinas y piezas de trabajo grandes. Esta velocidad es mayor que la que se obtiene con fresadoras, aunque se empleen fresas grandes y cortes fuertes. La eliminación más rápida del metal se logra con bandas abrasivas de grano grueso. Las de grano fino eliminan el metal con más lentitud pero dejan mejor acabado de superficie. Los tiempos de preparación y de manejo de las piezas en las rectificadoras de banda son equivalentes a los de rectificadoras convencionales y otras máquinas herramientas. El tiempo de cambio de la banda no es un costo importante; pero el costo de las bandas abrasivas, por unidad de metal eliminado, es mayor que con ruedas abrasivas. Todos los materiales que se pueden rectificar también se pueden trabajar con banda abrasiva. Entre los materiales comunes que se rectifican, el hierro fundido se trabaja con más rapidez.

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COMPONENTES MAQUINADOS

Las recomendaciones para diseño para rectificado de superficie con rueda abrasiva se aplican también al empleo de bandas. Las diferencias debidas a las caracteristicas especiales del rectificado con banda son: 1. Las superficies que se van a rectificar planas, se pueden ahuecar o rebajar en gran parte de la superficie, porque las interrupciones ayudan al rectificado con banda. En consecuencia, esto le da al diseñador la oportunidad de ahorrar material en la pieza de trabajo. Cuando se reduce en esta forma el tamaño de la superficie que se va a rectificar, las secciones restantes deben tener una anchura de, cuando menos, 6 mm (1/4 in) (Fig. 4.15-8).

FIG. 4.15-8 Se rediseñó una base fundida para una máquina a fin de reducir el peso y el tiempo de rectificado con banda. Quizá no sea adecuado si la planicidad tiene limites muy precisos. 2. La configuración de la pieza que se va a rectificar debe ser tal que no haya salientes, pestañas ni rebordes que crucen la superficie que se va a rectificar de modo que se deba utilizar el borde de la banda abrasiva. El borde se desintegra con rapidez y ya no habrá rectificado correcto (Fig. 4.15-9). Se mejoran el acabado de superficie y la exactitud dimensional al rectificar con banda si ésta es de grano fino, pero a expensas de la velocidad de corte y duración de la banda. El abrasivo grueso permite el control dimenFIG. 4.15-9 Para rectificar con banda abrasi- sional con una tolerancia de ±0.05 mm (0.002 va, evítense los salientes, pestañas y rebordes in), el rectificado fino puede trabajar tan fino que requeriría utilizar el borde de la banda. como ±0.013 mm (0.0005 in). Sin embargo, una tolerancia mínima práctica es de ±0.025 mm (0.001 in). Las tolerancias prácticas para acabado de superficie con bandas de grano fino son de 0.25 um (10 uin) o de 1.0 um (40 uin) con las de grano grueso.

Rectificado con bajo esfuerzo Es una variante del rectificado convencional en condiciones muy controladas para minimizar los esfuerzos residuales en la superficie de la pieza de trabajo. Se utilizan ruedas de grano grueso afinadas a intervalos cortos, con bajas velocidades de superficies y de avance. Este método se emplea con materiales sensibles al calor y cuando la pieza que se rectifica está sometida a altos esfuerzos. Las consideraciones para el diseño son idénticas a las del rectificado convencional. Las especificaciones para tolerancias dimensionales y acabado de superficie también pueden ser las mismas.

CAPÍTULO 4.16

Piezas pulidas con piedras, asentadas (“lapeadas”) y superacabadas R. W. Militzer, P.E. Ingeniero Consultor Fenton, Michigan

Piezas pulidas con piedras Proceso para pulimento Características de la pieza de trabajo Cantidades para producción Materiales para pulir con piedras Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas Piezas asentadas ("lapeadas") Proceso para asentamiento Características de la pieza de trabajo Cantidades para producción Materiales para asentamiento Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas Piezas superacabadas Proceso para superacabado Características de la pieza de trabajo Cantidades para producción Materiales para superacabado Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas

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COMPONENTES MAQUINADOS

El pulimento con piedras, el asentamiento ("lapeado") y el superacabado son procesos abrasivos de baja velocidad. Cada uno constituye un acabado final cuyo proposito es mejorar la configuración o acabado de las superficies producidas por otro proceso de maquinado.

Piezas pulidas con piedras Proceso para pulimento. El pulimento con piedras es el más común de los tres procesos para maquinado con abrasivo a baja velocidad. Incluye poner una o más piedras abrasivas en contacto por zonas con la pieza de trabajo (en vez de que sea contacto lineal como en otros procesos de rectificado), con presión controlada con precisión y movimiento lento y simultáneo en varios sentidos. La finalidad es generar una configuración exacta de la superficie y un mejor acabado. En este proceso se emplean abrasivos aglutinados como medio cortante, ya sea carburo de silicio, óxido de aluminio, nitruro de boro cúbico o diamante. Para pulimentar configuraciones cilíndricas o esféricas se utilizan las piedras con movimientos rotatorio y alternativo (reciprocante) combinados. El proceso se puede llevar a cabo con máquinas manuales o automáticas. En éstas puede estar mecanizado del todo, incluso el manejo de las piezas, accionamiento de la máquina, control del tamaño, clasificación y separación de las piezas para entrada y salida de la pulidora. Con una pulidora manual, el proceso se utiliza en piezas lo suficientemente pequeñas para sostenerlas en la mano y la máquina produce movimiento alternativo y rotatorio a las piedras, junto con la presión radial requerida para empujarlas contra la pieza de trabajo (Fig. 4.16-1). Debido a que el pulimento con piedras no produce cambio en la ubicación del agujero sino que sigue la abertura ya formada, una guía autoalineable está incluida en el aditamento para pulimentar que sujeta la pieza o en el elemento motriz de la herramienta para pulimentar (Fig. 4.16-2). Características de la pieza de trabajo. El pulimento con piedras se puede utilizar con cualquier figura geomética, pero su empleo principal es para diámetros interiores y superficies planas. Otras superficies que se generan con este proceso son esféricas, toroidales, elípticas, curvas y cilíndricas. Se pueden pulir diámetros interiores desde 2.4 mm (3/32 in) y 1.6 mm (1/16 in) de longitud hasta 1.2 m (48 in) y 9.1 m (30 ft) de longitud. Para pulir superficies cilíndricas externas, su empleo principal es en piezas con diámetro desde 6.3 mm (1/4 in) por 12.7 mm (1/2 in) de longitud hasta 450 mm (18 in) y longitud de 9.1 m (30 ft). La aplicación del proceso en piezas planas suele limitarse a zonas de menos de 645 cm2 (100 in2), aunque ese límite no es inflexible. También cabe pulir diámetros esféricos (Fig. 4.16-3) desde 3 mm (1/8 in) hasta 300 mm (12 in). Con este proceso se puede trabajar en superficies esféricas internas y externas.

FIG. 4.16-1 Pulimento del agujero de un piñón a dimensiones precisas. (Cortesía: XLO Micromatic.)

FIG. 4.16-2 Pulimento con piedras de la camisa de un cilindro de un motor

Diesel. (Cortesía: XLO Micromatic.)

FIG. 4.16-3 El pulimento con piedras de un acabado preciso de superficie

en partes de rótulas y otras superficies esféricas. (Cortesía: XLO Micromatic.) 4-171

4-172

COMPONENTES MAQUINADOS

El pulimento por piedras es un proceso de abrasión por zonas, que corrige deficiencias existentes como ovalación, conicidad u ondulación (Fig. 4.16-4). Debido a que las piedras tienen acción multidireccional, la superficie habitual tiene un acabado cuadriculado (Fig. 4.16-5). Este acabado de superficie es muy útil en aplicaciones de movimiento con contacto, como las paredes de cilindros de los motores o una cavidad en un cuerpo de válvulas, porque las crestas reciben la carga de la pieza correlativa y los valles sirven como diminutos depósitos de aceite. Otra ventaja del pulimento por piedras es que no hay efectos del calor. La acción abrasiva a baja velocidad evita daños térmicos en la superficie, como podría ocurrir con rectificado normal. A menudo se procesan con pulimento con piedras los dientes de engranes, las pistas (correderas) de cojinetes de bolas y rodillos, agujeros para perno de manivela, bujes taladrados, cañones de armas, pasadores (pernos) de pistón y cilindros hidráulicos. Cantidades para producción. El pulimento con piedras puede ser económico para cualquier volumen de producción. Cuando se trabaja una sola pieza o cantidades muy limitadas, se pueden utilizar taladros verticales o tornos de control manual junto con las herramientas pulidoras normales. El tiempo de preparación es muy corto. En talleres con más equipo, se emplean máquinas pulidoras, horizontales o verticales para usos múltiples, que tienen movimiento alternativo y rotatorio e incluyen algún tipo de calibrador. El tiempo de preparación es muy corto. Sus aplicaciones para corridas cortas incluyen agujeros de válvulas hidráulicas, chumaceras para husillos de máquinas herramientas y componentes de motores de aviones. En un trabajo pequeño, quizá sólo se pulirán 10 válvulas de un tamaño y se cambiará a otros tamaños entre 6 u 8 veces en un tumo. Cuando se emplea el pulimento con piedras para producción en serie, se emplea equipo especial como el descrito en "Proceso para pulimento". Los volúmenes para pulimento de monobloques de motores de vehículos pueden ser hasta de 2 millones al año; para bielas, engranes de transmisiones y agujeros de chumaceras, las corridas pueden ser de muchos millones de piezas anuales.

FIG. 4.16-4 Las piedras abrasivas de una pulidora producen una superficie cilíndrica completa porque eliminan puntos altos y otras inexactitudes. (Cortesía: XLO Micromatic.)

PIEZAS PULIDAS CON PIEDRAS, ASENTADAS Y SUPERACABADAS

FIG. 4.16-5 Ejemplo del cuadriculado de las marcas en una superficie pulida. (Cortesía: XLO Micromatic.)

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FIG. 4.16-6 Recomendaciones de diseño para pulir superficies cilíndricas internas con piedras.

Materiales para pulir con piedras. Cualquier material que se maquine con herramientas de corte convencional, se puede pulir con piedras. Los materiales más comunes son acero, hierro fundido y aluminio. Cualquiera de ellos, incluso el acero con máxima dureza por tratamiento térmico, se pule con facilidad. Otros materiales como el bronce, acero inoxidable, plásticos, etcétera, también se pueden pulir a baja velocidad. Recomendaciones para diseño. Se debe dejar suficiente material en la superficie de la pieza que se va a pulir con piedras para la aplicación multidireccional de las mismas. Es factible generar características geométricas exactas sólo si las piedras pasan uniforme y repetidamente toda la superficie que se va a pulir. Por ejemplo, hay que evitar rebordes, protuberancias, etcétera, en el diseño de una pieza de trabajo que se va a pulir con piedras. Esta misma regla se aplica al pulimento de otras figuras, como superficies esféricas, planas y diámetros exteriores. Toda la zona adyacente y más allá de la superficie que se va a pulir debe estar libre de salientes que estorben. Al pulir un diámetro interior, las piedras deben sobresalir de los extremos de la cavidad en una cantidad entre 1/4 y la mitad de la longitud de las piedras utilizadas (Fig. 4.16-6). Los cuneros, orificios, rebajos y otras interrupciones en la superficie suelen presentar problemas para pulir la superficie. Dado que la piedra tiende a cortar en exceso siempre que un extremo de la superficie es atravesado por el abrasivo puede esperarse cierto grado de desgaste o depresión de la superficie alrededor del extremo de la superficie de interrupción. Cuando las interrupciones son esenciales para el funcionamiento de la pieza de trabajo, los cuneros u orificios deben ser lo más pequeño que permita un buen diseño, a fin de que las piedras atraviesen estas interrupciones con un efecto mínimo. Al diseñar piezas de trabajo en donde se empleará el pulimento con piedras, es importante que la pieza tenga superficies de guía de fácil localización. Además, debe tener caras para sujeción que no la deformen durante el proceso.

PIEZAS PULIDAS CON PIEDRAS, ASENTADAS Y SUPERACABADAS

4-175

Tolerancias recomendadas. En general, el pulimento con piedras puede generar configuraciones y acabados de superficie tan precisos como cualquier proceso para maquinado de metales. Resulta posible y práctico pulir cilindros de monobloques con alto volumen de producción con tolerancias de redondez, rectitud y tamaño con una aproximación de 0.008 mm (0.0003 in). En agujeros de acero endurecido de menos de 25 mm (1 in) de diámetro, el pulimento puede producir un acabado con aproximación de 0.0008 mm (0.000030 in) en una producción continua, pero menos rápida. Sin embargo, para producción normal se recomiendan los valores de la tabla 4.16-1. Las piezas de acero endurecido se pueden pulir al acabado de superficie deseado a partir de 0.05 (ira (2 μin), pues ello es principalmente un factor del tamaño de grano de las piedras, del refrigerante, las velocidades superficiales utilizadas y la fuerza que ejercen las piedras contra la superficie de la pieza. El grado de acabado de superficie obtenible con otros materiales está limitado por la estructura molecular y granular de los mismos. Los acabados de superficie muy finos son más costosos. Sin embargo, se pueden lograr acabados de 0.25 a 0.4 μm (10 a 15 μin), un intervalo válido para las especificaciones en los planos.

Piezas asentadas ("lapeadas") Proceso para asentamiento. Este-proceso incluye el empleo de una forma maestra, llamada asentador, y un abrasivo que se mueve en forma continua al azar sobre la superficie de la pieza de trabajo a baja velocidad y con poca presión. El abrasivo suele ser polvo o pasta, pero puede ser un bloque macizo, tela o papel abrasivos. La finalidad de esta operación es afinar el acabado y las dimensiones de la superficie con una calidad superior a la obtenible con cualquier operación de corte o rectificado de metales. Las crestas de la superficie se eliminan mediante el contacto continuo de frotamiento hasta que se logran la configuración, dimensiones y acabado deseados. Se elimina una cantidad muy pequeña de metal (Fig. 4.16-7). Con abrasivo en polvo, el material del asentador es siempre más blando que el de la pieza de trabajo y puede ser de hierro fundido, acero, metales no ferrosos blandos, madera y cuero. Las partículas abrasivas se enclavan en el asentador FIG. 4.16-7 Proceso de asentamiento, blando y, al moverlo, cortan la pieza de trabajo. Este proceso difiere del pulimento con piedras en que el movimiento tiene un solo sentido, se aplica poca presión y el abrasivo está suelto. El asentamiento elimina menos material que el pulimento con piedras. Este proceso puede ser manual o automático. En la figura 4.16-8 se ilustra una máquina para producción para asentamiento automático. Características de la pieza de trabajo. Los tipos de piezas en que es más favorable el asentamiento, requieren uno o más de los siguientes aspectos: 1) un mejor acabado de superficie; 2) máxima exactitud; 3) corrección de pequeñas imperfecciones en la forma, y 4) ajuste preciso entre superficies correlativas. Muchos componentes tienen superficies metálicas correlativas que deben sellar entre sí para retener la presión. Los ejemplos son los carretes de válvulas, émbolos de inyectores de combustible, anillos selladores, vástagos de émbolo, vástagos de válvula, culatas (cabezas) de cilindros y asientos esféricos de válvulas. Cuando la función principal de una pieza es sellar una cámara para fluido o gas, las superficies de los elementos selladores deben estar tan pulimentadas que las operaciones normales de trabajo de metales no podrán cumplir ese requisito. Así pues, se necesita el asentamiento para obtener el acabado de superficie y configuración finales. El asentamiento se utiliza con más frecuencia en superficies cilíndricas, cónicas o esféricas, sean macho y hembra, y planas , por ejemplo, dientes de engranes, levas y piezas de máquinas de ajuste muy preciso. Los tamaños de agujeros o pasadores pueden ser desde 0.8 mm (0.030

4-176

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.16-8 Máquina asentadora de superficies planas para producción. Las piezas se pueden cargar y descargar en una mesa mientras se efectúa el asentamiento en la otra. (Cortesía- Lapmaster División, Crane Packing Co.) in) hasta 250 a 300 mm (10 a 12 in) de diámetro con la longitud proporcional al diámetro requerida para un buen funcionamiento. Las superficies planas en que se requiere el asentamiento son en piezas pequeñas con tamaño de 6 a 80 cm2 (1 a 12 in2 ), pero en algunos casos también se pueden asentar piezas hasta de 1300 cm2 (200 in2 ) sin problema. Otras piezas que se asientan o "lapear." son los bloques calibradores, calibradores de macho y anulares, calibradores para roscas, diámetros interiores de bujes, engranes, levas y chumaceras. En la figura 4.16-9 se ilustran piezas planas asentadas. Cantidades para producción. Para el asentamiento en lotes de piezas en cantidad económica, se puede trabajar desde una pieza hasta producción en serie. Para bajo volumen de producción^ se utiliza el asentamiento manual. Como los asentadores son de bajo costo relativo y se utilizan para muchas clases de piezas, el costo de herramientas es bajo. Los costos del equipo son mínimos o no los hay, porque el movimiento para asentar se produce a mano o con ayuda de un taladro o el husillo de un torno. Cuando se incluye el asentamiento manual como parte del proceso de manufactura, hay que sacrificar la intercambiabilidad de los componentes. Las piezas asentadas a mano suelen ser para hermanarlas en forma permanente, aunque ciertas técnicas en medición de precisión permiten un proceso de "pulimento de acuerdo con el plano". El volumen de producción con asentamiento manual es muy bajo. En años recientes han aparecido máquinas automáticas para asentamiento en gran volumen para la operación final en piezas de trabajo que se producen en grandes cantidades. Hay maquinas asentadoras sin centros que pueden trabajar hasta 1000 piezas por hora, como pasadores o ejes de émbolo y permiten repetibilidad constante y automática del trabajo. También hay máquinas asentadoras automáticas de superficies planas con capacidad hsta de 2000 piezas por hora. Se debe tener en cuenta que la eliminación de material por asentamiento se considera costosa. En todos los casos, esta operación sólo debe ser el paso final en el proceso de manufactura, para obtener la calidad de acabado que no se logra con operaciones de maquinado y rectificado.

PIEZAS PULIDAS CON PIEDRAS, ASENTADAS Y SUPERACABADAS

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FIG. 4.16-9 Muestras de piezas planas comunes con asentamiento. (Cortesía: Lapmaster Division, Crane Packing Co.)

Materiales para asentamiento. Se puede asentar o pulir casi cualquier material utilizado en procesos industriales. El asentamiento se utiliza más para piezas de acero y hierro fundido, pero también funciona con piezas de vidrio, aluminio, bronce, magnesio, plásticos y cerámicas. Los materiales blandos, en los que se puede enclavar el abrasivo, no son tan adecuados para asentarlos como los materiales duros, pues el abrasivo enclavado después desgasta la pieza correlativa. Una solución es utilizar un abrasivo que se autodestruye, es decir que se desintegra con rapidez y pierde su poder cortante. Recomendaciones para diseño. Cuando se diseña una pieza que se va a asentar o pulir, se deben tener en cuenta algunos factores importantes. Una superficie lisa, ininterrumpida, libre de rebordes y salientes, se asienta con más facilidad. Los rebordes, salientes u otras interrupciones requieren colocar el asentador a fin de esquivar la interferencia saliente al moverlo hacia un lado y otro sobre la superficie de trabajo, cosa que es difícil. Las figuras 4.16-6 y 4.16-7 se aplican por igual para el asentamiento y el pulimento con piedras, excepto que con aquél no son tan necesarios los conductos para el refrigerante. Se requieren rebajos de despejo que permitan movimiento adicional del asentador para producir planicidad, redondez o cierto acabado de superficie. Cuando hay que asentar con máquina dos lados opuestos de una pieza de trabajo con máximo paralelismo, sus superficies deben sobresalir de las otras para que el asentador y la mesa de la máquina puedan hacer contacto con ellas sin obstrucciones. Tolerancias recomendadas. Se logran tolerancias muy precisas y acabados de superficie muy finos (1 μin AA) con el asentamiento correcto. Un "método común para inspeccionar superficies planas asentadas es con un instrumento con bandas de luz reflejante. No es raro encontrar superficies planas asentadas con una tolerancia de planicidad de una banda luminosa (0.000012 in). En superficies cilíndricas, el asentamiento puede producir, si es necesario, una redondez con aproximación de 0.00013 mm (0.000005 in). Las tolerancias mínimas en tamaño que se pueden lograr con el asentamiento van en relación directa con las características y exactitud de la superficie de la operación precedente. Dada la reducida capacidad de eliminación de material con asentamiento es básico obtener dimensiones exactas en los límites antes de la operación y utilizar el asentador para lo que se destina, es decir, mejorar las dimensiones y acabado de superficie finales. En la tabla 4.16-2 se presentan las tolerancias recomendadas para piezas asentadas en condiciones normales de producción.

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COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4.16-2 Tolerancias dimensionales recomendadas para superficies asentadas

Diámetro u otra dimensión Planicidad, redondez o rectitud Acabado de superficie

Tolerancia normal

Tolerancia precisa

± 0.0006 mm (0.000025 in)

± 0.0004 mm (0.000015 in)

±0.0006 mm (0.000025 in)

±0.0003 mm (0.000012 in)

0.1-0.4 nm (4-16 μin)

0.025-0.1μm (1-4 μin)

Piezas superacabadas Proceso para superacabado. Este proceso se considera como intermedio entre pulimento con piedras y asentamiento. Incluye el empleo de un bloque abrasivo que haga contacto por zonas con la pieza de trabajo y con movimiento bidireccional controlado entre los dos. El abrasivo tiene aglutinamiento blando para que se configure al contomo de la pieza. Se requiere muy poca o ninguna afinación. El movimiento primario es a una velocidad de 3.7 a 4.6 m /min F(12 a 15 ft/min), con una oscilación lateral de unos 5 mm (3/16 in) a una frecuencia hasta de 800 ciclos /min. Se utiliza refrigerante para corte a base de aceite y se elimina entre 0.005 y 0.025 mm (0.0002 y 0.001 in) de material. En la figura 4.16-10 se ilustra una operación de superacabado para producción. Características de la pieza de trabajo. El superacabado no se considera como proceso de eliminación de material, sino que se emplea para refinación de superficies; además, ofrece beneficios adicionales porque mejora las características geométricas de la pieza de trabajo. Este proceso se ha utilizado en muchas configuraciones de superficies, por ejemplo, diámetros interiores y exteriores, superficies cónicas y esféricas, caras planas, acanaladuras, cuñeros y rebajos. También se utiliza con frecuencia cuando el acabado de la superficie debe

FIG. 4.16-10 Superacabado del componente de una rótula. La rueda abrasiva se configura a la forma de la bola. El movimiento entre la bola y la rueda elimina las asperezas de superficie y las desigualdades de la superficie de la bola. (Cortesía: Giddings & Lewis, Inc.)

PIEZAS PULIDAS CON PIEDRAS, ASENTADAS Y SUPERACABADAS

4-179

ser el llamado de "brillo de espejo" para superficies de sellamiento o de chumaceras. Los resultados con el proceso de superacabado pueden ser similares a los del asentamiento. Las piezas que generalmente reciben supercabados son émbolos, ejes de émbolo, superficies para sellamiento de ejes, pernos de manivela, asientos de válvula, pistas de cojinetes y rodillos de laminadoras de acero. Cantidades para producción. El superacabado, casi siempre, se utiliza para producción en gran volumen y, muchas veces, en combinación con equipo para manejo automático de piezas. El volumen de producción de este tipo puede ser hasta de 240 piezas por hora. También hay máquinas de superacabado para usos generales. Una aplicación habitual de las máquinas grandes es para el acabado de rodillos de laminadoras de acero en cantidades de 4 a 6 piezas por hora. Materiales para superacabado. Este proceso se puede emplear con cualesquiera piezas de metales ferrosos y no ferrosos. Se utiliza con más frecuencia en piezas de acero de aleación endurecido y rectificado. Recomendaciones para diseño. Para el superacabado como para pulir con piedras y asentar, hay las mismas necesidades de acceso a la superficie de la pieza de trabajo y despejos en los extremos de las superficies terminadas. Evítense cuneros, agujeros, ranuras y otras interrupciones en las superficies de las piezas. Tolerancias recomendadas. El grado de acabado de superficie que se logre está en relación con el tamaño del grano del abrasivo, la fuerza aplicada, las velocidades superficiales relativas, la limpieza y consistencia del refrigerante y su aplicación constante y la duración del proceso. Como regla general, cuanto más tiempo dure el proceso, más fino sea el grano del abrasivo y menor la fuerza, mayor será la calidad del acabado de superficie. Con el superacabado no es raro lograr acabados de superficie de 0.025 a 0.075 μm (1 a 3 μin). En condiciones controladas con precisión y con piezas de trabajo de acero endurecido de máxima calidad, se han logrado acabados de menos de 0.025 μm (1 μin). Sin embargo, las especificaciones recomendadas para casi todos los trabajos de producción son de 0.1 a 0.2 Jim (4 a 8 μin). Se especifican límites más precisos sólo cuando son esenciales y si las operaciones preliminares producen una superficie más o menos tersa. Con respecto al logro de tolerancias en la configuración y control del tamaño de la pieza de trabajo, los resultados están limitados porque sólo se eliminan pequeñas cantidades de material.

CAPÍTULO 4.17

Piezas pulidas (bruñidas) con rodillos

....

C. Richard Liu School of Industrial Engineering Purdue University West Lafayette, Indiana

Proceso Características y aplicaciones típicas Configuración y propiedades mecánicas Exactitud dimensional Acabado de superficies Dureza de superficies Resistencia a la fatiga y corrosión Tamaño de las piezas Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Espesor de pared Rebajos y agujeros interrumpido Agujeros ciegos Tolerancia de material para bruñido con rodillos Filetes Conos Factores y tolerancias dimensionales

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso El bruñido con rodillos es un método para refinar superficies mediante "rolado" a presión sin eliminar material. La herramienta bruñidora consta de una serie de rodillos cónicos, muy pulimentados y endurecidos, colocados en ranuras dentro de una jaula de sujeción. El tamaño de la herramienta es tal, que los rodillos producen una presión, dentro de la pieza de trabajo, mayor que el punto de cedencia de la pieza de trabajo, que es más blanda. Cuando giran los rodillos, comprimen las crestas del dibujo de la superficie de la pieza hacia dentro de los valles. Endurecen por trabajo y compactan ligeramente la superficie porque producen deformación plástica local. En la figura 4.17-1 se ilustra el proceso.

En una variante del proceso, los rodillos van montados en una leva en lugar de un cono o cilindro; llamada "apoyamiento" (bearingizing) y se combina una acción de recalcado con la del laminado normal. En agujeros rectos se logran resultados muy similares a los del bruñido normal con rodillos mediante el bruñido con bolas. Se empuja a lo largo del agujero una bola redonda, lisa, un poco mayor que la cavidad y esto deja un acabado controlado con precisión. El bruñido con rodillos es un proceso de acabado, en combinación o sustitución del rimado (escariado), pulimento con piedras, asentamiento o rectificado.

Características y aplicaciones típicas La principal aplicación de este proceso es mejorar la configuración y propiedades mecánicas de las superficies laminadas. No es posible emplearlo en superficies de configuración complicada. Las superficies para el bruñido con rodillos son cavidades cónicas, asientos planos para sellos y válvulas, husillos cónicos y filetes (Fig. 4.17-2). No cabe emplearlo en piezas de configuración complicada, pues se pueden trabajar mediante recalcado con chorro de perdigones (Capítulo 8.7). También requiere uniformidad en el espesor de sección o secciones muy gruesas. Configuración y propiedades mecánicas. Se emplea para mejorar los siguientes aspectos de un componente mecánico: 1) exactitud dimensional, quizá hasta de 0.0066 mm (0.00025 in); 2) acabado de superficie; 3) dureza de superficie; 4) resistencia al desgaste, excelente en material poroso, y 5) resistencia a la fatiga y corrosión. Exactitud dimensional A las piezas maquinadas con otros procesos se les puede dar el tamaño final mediante bruñido con rodillos. Una aplicación común es el mejoramiento de las dimen-

FIG. 4.17-2 Configuraciones normales de piezas bruñidas con rodillos y herramienta utilizada. (Cortesía: Sandvik, Inc.)

4-183

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COMPONENTES MAQUINADOS

siones de las piezas que se van a instalar con ajuste a presión. Sin embargo, hay ciertas limitaciones para la posibilidad de mejorar la configuración. Para que un agujero quede recto y redondo después del bruñido debe estarlo desde antes. Acabado de superficies. Se han bruñido con rodillos agujeros redondos en una sola pasada con un acabado entre 0.05 μm (2 μin) hasta 0.35 μm (14 μin) según el acabado inicial y el material de la pieza de trabajo. La superficie de acabado de alta calidad (menos de 0.25 μm o 10 pin) sin abrasivo incrustado es esencial para sellos que controlan la salida de aire, aceite o agua. Dureza de superficies. La superficie bruñida con rodillos tiene deformación plástica y endurecimiento por el trabajo. La dureza Brinell (BHN) de la superficie aumenta entre 5 y 25% con una penetración desde 0.13 mm (0.005 in) hasta 12.5 mm (0.5 in), según el tamaño y presión de los rodillos. Muchas veces, ese aumento elimina la necesidad de tratamiento térmico u otro tratamiento de superficie como medio para mejorar la resistencia al desgaste. Resistencia a la fatiga y corrosión. Las picaduras, raspaduras y marcas de herramienta en la superficie y aberturas en la estructura granular se reducen con el bruñido con rodillos. También se aminora la posibilidad de retener sustancias reactivas o contaminantes en las picaduras y se aumenta la resistencia a la corrosión. Además cierra las grietas y produce esfuerzos compresivos residuales debajo de la superficie laminada o "rolada", muchas veces a mayor profundidad que el recalcado con perdigones; esto da más resistencia contra la fatiga. El bruñido con rodillos es muy eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga en los filetes. Los esfuerzos compresivos residuales quedan compensados por los esfuerzos internos de tracción, lo que origina menor límite elástico o resistencia al escurrimiento. Tamaño de las piezas. Se pueden obtener herramientas para bruñir agujeros entre 4.8 mm (3/16 in) y 380 mm (15 in) y para bruñir diámetros exteriores desde 3.2 mm (1/8 in) hasta 150 mm (6 in). La longitud máxima de la superficie bruñida depende de la flexión máxima permisible en la herramienta durante el laminado. Por ejemplo, la especificación de un fabricante para la longitud máxima de trabajo para agujeros de 13 mm (1/2 in) o menores es de 120 mm (4.56 in) y para diámetros interiores más grandes es de 230 mm (9.06 in). Se dice que la longitud efectiva de trabajo no tiene limites para diámetros interiores mayores de 59 mm (2.3 in).

Cantidades económicas para producción Este proceso se aplica en una amplia gama de cantidades de producción. El costo de las herramientas es pequeño y se utilizan taladros, tornos, máquinas para hacer tornillos y equipo de empleo general. El volumen de producción es elevado. La duración de las herramientas para bruñir es más larga que la de las de acabado abrasivo. Las piezas que se desgastan en la bruñidora de rodillos son el mandril y los rodillos y, a veces, una jaula de rodillo, que son poco costosos. Este trabajo lo pueden efectuar operarios no especializados y se logra más producción que con procesos con abrasivos. Se ha informado que se obtienen beneficios económicos en cantidades pequeñas y grandes en producción. La justificación económica para cantidades muy pequeñas depende de la disponibilidad de la herramienta bruñidora adecuada.

Materiales adecuados Cualquier material dúctil o maleable se bruñe con rodillos. Se han trabajado los siguientes materiales con cierto éxito: acero forjado con dureza hasta de R c 45, hierro fundido gris maleable y nodular, acero inoxidable, aluminio fundido y forjado, cobre, latón y magnesio fundido y forjado y otros materiales. También se ha informado de buenos resultados al bruñir materiales muy duros.* El proceso también tiene buen potencial para metales en polvo que son difíciles de rectificar. El bruñido * S. E. Kalen y J. T. Black, "The Anatomy of a Roller Burnished Surface", Proceeding of The International Conference on Surface Technology, mayo 1973.

PIEZAS PULIDAS (BRUÑIDAS) CON RODILLOS

4-186

con rodillos no cierra los poros ni restringe el flujo de lubricante en las superficies.

Recomendaciones para diseño Espesor de pared, Las paredes de los agujeros que se van a bruñir deben ser uniformes o de suficiente espesor para soportar la presión de los rodillos y con deformación plástica local en el punto de contacto, sin que haya cedencia general de toda la pared. En las secciones de pared delgada se puede necesitar soportarlas con un manguito (camisa) para evitar deformación. Si se trabaja con cuidado, se pueden bruñir piezas con paredes de sólo 1.6 mm (0.060 in) de espesor. Rebajos y agujeros interrumpidos. Cuando hay agujeros interrumpidos, es problemático lograr y mantener el apoyo para la herramienta, la cual tiene muchos rodillos pequeños. Por lo general, no hay dificultad si los agujeros, cuneros y otras interrupciones no abarcan más del 10% de la circunferencia. De otro modo, el bruñido debe preceder a otro maquinado; esta opción puede resolver el problema de las piezas de pared delgada. Agujeros ciegos. Se prefieren los agujeros pasantes en vez de los agujeros ciegos para bruñir con rodillos. En los agujeros ciegos, una distancia de alrededor de 1.5 mm (0.060 in) del fondo no puede ser alcanzada por la herramienta; si se desea bruñir el agujero más cerca del fondo, se debe prever suficiente despejo en el diseño de la pieza (Fig. 4.17-3). Tolerancia de material para bruñido con rodillos. El proceso produce un ligero cambio en las dimensiones de la superficie bruñida y se debe tener en cuenta. Normalmente, el diámetro

FIG. 4.17-3 Los agujeros pasantes son preferibles a los agujeros ciegos.

TABLA 4.17-1 Tabla de tolerancias de material para acabado de superficies* Superficies internas Gama de tamaño de pieza de trabajo, in

Superficies externas

Acabado de superficie, μin Tolerancia de material, in

Maquinada

Bruñida con rodillosin

Acabado de superficie, μin Tolerancia de material, Maquinada

Bruñida con rodillos

Alta ductilidad

0.1250.484 0.5001.000 1.0312.000 2.0316.500

0.00 04 0.0 00 7

80 1 25

8 8

0. 0 00 4 0. 0 00 6

80 1 00

8 8

0.00 07 0.0 01 5

60 1 25

8 8

0. 0 00 5 0. 0 01

60 1 80

8 8

0.00 1 0.0 02

60 1 25

8 8

0. 0 00 7 0. 0 01

1 00 1 80

8 8

0.00 15 0.0 02 0.0 03

60 1 25 2 00

8 8 8

0. 0 01 0. 0 01 5 0. 0 02

1 25 3 00 5 00

8 8 8

Baja ductilidad 0.125-

0.484 0.5001.000 1.0312.000 2.0316.500

0.0004 0.0007

80 100

18 18

0.0003 0.0005

60 90

18 18

0.00 07 0.0 01

90 1 25

18 18

0. 0 00 5 0. 0 00 7

1 00 1 40

18 20

0.001 0.0015

125 180

18 -20

0.0005 0. 0 01

100 1 80

18 20

0.00 15 0.002

1 20 200

18 24

0. 0 Q1 0.0015

1 25 200

18 20

PIEZAS PULIDAS (BRUÑIDAS) CON RODILLOS

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de los agujeros alimenta entre 1 parte por 1000 en agujeros grandes y 2 partes por 1000 en agujeros pequeños. Sin embargo, la tolerancia o espesor adicional del material depende del perfil de la superficie producida por un maquinado previo. Un perfil de superficie con crestas altas y valles profundos, pero uniforme en otros aspectos, es ideal para bruñirlo. Una superficie cilíndrica torneada en el exterior es de ese tipo y se puede lograr una reducción entre 5 μm (200 μin) y 0.15 μm (6 μin) en el acabado de superficie. En el interior de una superficie cilíndrica, un acabado convencional con rima (escariador) no es un buen punto de partida; hay que modificar la rima de acuerdo con las recomendaciones del fabricante de la herramienta bruñidora. Una superficie con esmerilado muy fino deja poco material que se pueda bruñir. Esa pieza sólo se puede bruñir en forma muy ligera en lo que toca al tamaño, pero de todos modos se pueden mejorar sus propiedades mecánicas. Las tolerancias normales en el material para bruñir se presentan en la tabla 4.17-1; la tolerancia exacta de una pieza específica se determina con experimentos. Filetes. Cuando se va a bruñir un filete, el radio terminado debe ser menor que el señalado en el plano de la pieza. Por ejemplo, si en el plano se solicita un radio de 1.5 mm en el filete de la pieza terminada, el filete existente se redondea a 1.35 mm o sea 10% menos. Cuando se bruñe un filete a su tamaño terminado, se producen esfuerzos uniformes. Conos. Con buen control, cabe bruñir conos de 15° o menos. Una banda estrecha en el cono es mejor para bruñir que una ancha. El espesor de la pard que rodea la superficie bruñida debe ser uniforme, para no producir ovalación.

Factores y tolerancias dimensionales La exactitud y calidad del acabado obtenido mediante bruñido con rodillos depende de 1) dureza, ductilidad y porosidad de la pieza de trabajo; 2) la exactitud y acabado producidos por las operaciones precedentes, y 3) la cantidad de metal que quede en la superficie para moverlo con los rodillos. Cualquier diferencia en el diámetro antes de bruñir hará que varíe el acabado de superficie entre una pieza y otra. En un agujero redondo se puede obtener una tolerancia de ±0.015 mm (±0.0006 in) si se maquina antes de bruñirlo con una aproximación de ±0.05 mm (±0.002 in). En condiciones muy controladas se pueden mantener tolerancias más precisas.

CAPÍTULO 4.18

Piezas producidas por electroerosión (EDM) Stuart Haley Colt Industries Davidson, North Carolina

Proceso de EDM EDM por corte con alambre Características de las piezas hechas con EDM Factores económicos del EDM Materiales adecuados para EDM Recomendaciones para diseño Recomendaciones para factores y tolerancias dimensionales

4-190 4-190 4-190 4-192 4-194 4-194 4-195

4-189

4-190

COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso de EDM El proceso de EDM (Electrical-Discharge Machining) de maquinado por electrodescarga (conocido como maquinado por electroerosión) remueve metales mediante una serie de chispas o descargas eléctricas, pequeñas y controladas que erosionan el metal. Estas descargas, que se generan miles de veces por minuto, pasan de un electrodo con carga negativa a la pieza de trabajo con carga positiva. La descarga concentra la energía que vaporiza el metal de la pieza de trabajo en un área muy pequeña. La pequeña cantidad de metal que se vaporiza se solidifica de inmediato y forma una partícula debido al efecto refrigerante del fluido dieléctrico que está en el entrehierro entre el electrodo y la pieza. Como la partícula es expulsada y se repite el proceso, se forma una cavidad en la pieza de trabajo. En la figura 4.18-1 se ilustra el proceso de EDM. Los electrodos se hacen con numerosos materiales conductores de electricidad, pero el más común y eficiente es el grafito. Otros materiales son el cobre-tungsteno, plata-tungsteno, latón, cobre, aluminio, acero, carburos y tungsteno. Aunque, por lo general, el electrodo desciende contra la pieza de trabajo con movimiento rectilíneo, también puede girar como si fuera rueda abrasiva o lener movimiento en espiral u orbital para producir formas especiales o distribuir el desgaste en el electrodo. EDM por corte con alambre. Variante del proceso en la cual un alambre en movimiento constante sustituye al electrodo conformado. El alambre atraviesa la pieza de trabajo por su eje vertical y corta un contorno en el plano horizontal. Por tanto, la operación es más o menos similar al aserrado en contorno con sierra cinta, excepto que la chispa se descarga desde un alambre en vez de utilizar dientes para remover el metal; este proceso se ilustra en la figura 4.18-2.

Características de las piezas hechas con EDM Las piezas hechas con EDM suelen tener una o más de las siguientes características: 1. Formas complicadas, por lo general internas, que son imposibles de lograr con maquinado convencional.

FIG. 4.18-1 Elementos básicos del EDM. (Cortesía: American Machinist.)

PIEZAS PRODUCIDAS POR ELECTROEROSIÓN

4-191

FIG. 4.18-2 El EDM por corte con alambre produce la forma deseada del corte porque hace una hendidura contorneada en el material de la pieza de trabajo. (Cortesía: American Machinist.)

2. Se hacen con materiales endurecidos u otros difíciles de maquinar o que no es factible maquinarlos con los métodos convencionales. 3. Tienen tan alto Valor que se puede permitir la remoción lenta del material con EDM. 4. Se hacen con materiales conductores de la electricidad. 5. Son delicadas y se deben configurar con un proceso que produzca muy baja presión de corte. 6. Se requieren agujeros muy profundos y estrechos, en especial si no son redondos o tienen ángulos planos de entrada. 7. Se necesita endurecimiento, pero el tratamiento térmico después del maquinado puede producir deformación seria y otros problemas. El EDM no produce rebabas. En la figura 4.18-3 se ilustran las capacidades normales del proceso. El límite máximo de tamaño de las piezas está en relación con la disponibilidad de mesas para la máquina y los aspectos económicos de maquinar con la lentitud del EDM. Se han construido máquinas para troqueles de embutido de tableros para automóviles. El EDM por corte con alambre se ha utilizado para cortar placas de 150 mm (6 in) de espesor. Las limitaciones en las piezas producidas por EDM son: 1. El material debe ser conductor de la electricidad. 2. Hay una capa delgada de metal muy esforzado y con grietas diminutas en la superficie. 3. El acabado de las superficies con EDM a una velocidad de remoción de metal en producción es muy áspero y puede llegar hasta 13 μm (500 μin). Para obtener acabados más tersos, hay que reducir la rapidez de remoción del metal. Sin embargo, la aspereza en la superficie no es direccional y las producidas con EDM tienen propiedades para retención de lubricante, que son deseables en algunas aplicaciones. 4. Las cavidades y variaciones en las dimensiones entre pieza y pieza ocurren por el desgaste del electrodo con el trabajo. 5. Las cavidades cortadas con EDM pueden tener una ligera conicidad desde el punto de entrada del electrodo.

4-192

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.18-3 Capacidades del proceso EDM: a) Perforación recta, b) Corte de roscas, c) Perforación tridimensional, d) Otras perforaciones ciegas. (Cortesía: American Machinist.)

Las cavidades para troqueles son la aplicación más común del EDM, pero se pueden efectuar muchas otras operaciones en el cuarto de herramientas o para producción especial. Las aplicaciones para cuarto de herramientas o taller mecánico incluyen troquelado, extrusión, trefilado, fundición a presión, troqueles para forjar y moldes para plásticos, así como las herramientas formadoras, en especial las de carburo. En la tabla 4.18-1 se presentan algunos ejemplos de las piezas producidas con EDM.

Factores económicos del EDM La mayor parte de los equipos para EDM se emplean en cuartos de herramientas y puede producir una gran variedad de piezas, una por una o en lotes. Una razón de que predomine el trabajo en el cuarto de herramientas en vez de la producción, es la lentitud de la remoción del metal con EDM. Como regla general, si es posible efectuar la misma operación con eficacia con maquinado convencional, será más económico que el EDM. Aunque en ciertas operaciones el EDM puede remover metal a razón de 200 a 250 cm3 /h (12 a 15 in3 /h), no siempre se logra un buen acabado de superficie; por ello, en producción, el EDM trabaja a no más de 8 cm /h (V in3 /h) y, a menudo, a mucha menos velocidad. Al costo de la remoción de metal con EDM hay que agregar el del electrodo y la necesidad de su reemplazo periódico por el desgaste. La baja velocidad de corte se compensa, hasta cierto punto, por la posibilidad de producir un electrodo macho con un material de fácil maquinado, en lugar de hacer una cavidad hembra en un material difícil de maquinar. Además, para aplicaciones en producción, los electrodos a veces se pueden fundir, moldear o eximir a menor costo que si se maquinaran por completo. El empleo de electrodos múltiples es otro sistema para contrarrestar la baja velocidad de corte con EDM en producción.

4-194

COMPONENTES MAQUINADOS

El equipo es costoso, varias veces más que un equipo de maquinado convencional. Aunque las fuerzas de corte son bajas, la máquina debe ser rígida, también está el costo adicional de los componentes para producir chispas que no hay con máquinas convencionales. Además, las máquinas de EDM para corte con alambre son más complejas y costosas que las del tipo de ariete.

Materiales adecuados para EDM Con el EDM se puede maquinar cualquier material conductor de la electricidad sin que importe su dureza; ésta no determina si un material es adecuado para trabajarlo con EDM; pero si aumenta la dureza, el maquinado convencional resulta más costoso y suele preferirse el EDM. La conductividad eléctrica es esencial para EDM. Los aceros endurecidos y los carburos son los materiales más comunes para EDM; otros son aceros no endurecidos, metales refractarios, Alnico, latón, bronce, grafito y aluminio. El hierro fundido se maquina con otros procesos pues puede contener impurezas no conductoras.

Recomendaciones para diseño Hay varios métodos para compensar la baja velocidad de corte o el acabado deficiente de superficies con EDM: 1. Los requisitos de acabado de superficie de una pieza pueden ser menos estrictos. Esto permite al fabricante producir una pieza con alta intensidad de corriente y mayor velocidad de remoción de material. 2. Diséñese la pieza para que la cantidad de material removido con EDM sea pequeña. Si se diseña la pieza para que la mayor parte del material se debaste con maquinado convencional u otros procesos y efectuar el acabado con EDM, es factible reducir el tiempo requerido para trabajo con EDM (Fig. 4.18-4).

FIG. 4.18-4 Diséñese la pieza para efectuar la mayor parte del maquinado con método convencionales u otro proceso de manufactura en vez de emplear el EDM, que es más lento. 3. Diséñese la pieza de modo que a) se maquinen varias al mismo tiempo o b) se efectúen simultáneamente varias operaciones con EDM. Los diseñadores son responsables de diseñar la pieza de modo que los electrodos para EDM se puedan producir a bajo costo. Esto significa que la configuración del electrodo, o sea la de la cavidad en la pieza, debe ser lo más sencilla posible, además de compatible con la capacidad de maquinado o con otros procesos utilizados para producirlo. Se deben evitar las secciones de electrodo demasiado delgadas y frágiles, en especial si está hecho con grafito. Las aberturas estrechas y ranuras profundas también ofrecen problemas para la circulación del dieléctrico, pues producen sobrecalentamiento y combadura de los electrodos metálicos.

PIEZAS PRODUCIDAS POR ELECTROEROSIÓN

4-195

FIG. 4.18-5 No se pueden lograr esquinas internas agudas aunque el electrodo tenga cantos agudos. Hay que dejar amplios radios internos. Los diseñadores deben tener cuidado con el sobrecorte, o sea el tamaño de la cavidad un poco más grande por comparación con el del electrodo. Debido a este efecto, no se pueden producir esquinas internas agudas en las cavidades aunque el electrodo tenga bordes agudos. El radio mínimo obtenible será igual a la cantidad de sobrecorte, o sea entre 0.013 mm (0.0005 in) y 0.5 mm (0.020 in). El radio mínimo deseable es de 0.1 mm (0.004 in): figura 4.18-5. Es aconseable especificar tolerancias para la cavidad que permitan un ángulo de salida entre 2 y 20' por lado. Cuando hay que agrandar o cambiar la configuración de agujeros existentes con EDM, son preferibles los agujeros pasantes que los ciegos, porque permitirán que el fluido dieléctrico circule con más facilidad por la zona que se maquina.

Recomendaciones para factores y tolerancias dimensionales El acabado de superficie de las piezas hechas con EDM depende de los factores eléctricos; una baja corriente para las descargas, frecuencias más altas y pulsos más cortos producen un acabado más terso. Por lo general, el acabado especificado para superficies maquinadas con EDM no debe ser menor de 0.8 μm (30 μin); pero, con electrodos que giran u orbitan, cabe especificar acabados de 0.4 pm (15 μin). La exactitud dimensional de las piezas trabajadas con EDM depende de muchos factores y uno de los más importantes es la cantidad de desgaste de los electrodos. Otros son la cantidad y consistencia del sobrecorte, la exactitud de la máquina y la pericia del operador. Se pueden hacer cortes de máxima precisión con EDM. En circunstancias muy favorables, se logran tolerancias entre ±0.0025 y ±0.013 mm (±0.0001 y ± 0.0005 in), pero las que se suelen recomendar son entre ±0.05 y ±0.13 mm (±0.002 y ±0.005 in).

CAPÍTULO 4.19

Piezas de maquinado electroquímico

James W. Throop GMI Engineering and Management Institute Flint, Michigan

Maquinado electroquímico Proceso Aplicaciones y capacidades Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Factores dimensionales Rectificado electroquímico Proceso Aplicaciones y capacidades Cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Factores dimensionales Pulimento electroquímico Rectificado por descarga electroquímica

4-198 4-198 4-198 4-198 4-199 4-199 4-199 4-201 4-201 4-201 4-201 4-201 4-203 4-203 4-204 4-205 4-197

4-198

COMPONENTES MAQUINADOS

Maquinado electroquímico Proceso. El maquinado electroquímico (ECM) es lo opuesto de la electrodeposición y consiste en la remoción controlada de metal de la pieza de trabajo por disolución anódica en una celda electrolítica. La pieza de trabajo es el ánodo y una herramienta de configuración especial es el cátodo. El electrólito fluye por una pequeña abertura entre la herramienta y la pieza de trabajo que, por lo general, es de 0.25 mm (0.010 in) pero puede ser de sólo 0.025 mm (0.001 in). La rapidez de remoción de metal es proporcional a la densidad de la corriente continua y es elevada, alrededor de 8 a 150 A/cm2 (50 a 1000 A/in2). El electrólito es una solución de cloruro de sodio u otra sal. Sin embargo, para taladrar agujeros pequeños y profundos se utiliza electrólito ácido en algunos procesos. La remoción del metal forma una cavidad en la pieza de trabajo de forma muy aproximada a la del electrodo o cátodo. Por ello, se pueden cortar formas complejas en una operación. En la figura 4.19-1 se ilustra el proceso en forma esquemática.

FIG. 4.19-1 Maquinado electroquímico (ECM). Aplicaciones y capacidades. El ECM es muy adecuado para materiales y formas difíciles de maquinar con métodos convencionales. La producción de agujeros pequeños e ¡¡regulares es una aplicación común; el tamaño mínimo del agujero es de unos 0.25 mm (0.010 in), aunque es más práctico que sea entre 0.8 y 3 mm (0.030 a 0.125 in). La profundidad del agujero puede ser de 50 o más veces el diámetro. Debido a que la dureza de la pieza de trabajo no reduce la velocidad de corte, se pueden emplear con facilidad materiales con tratamiento térmico o endurecidos por trabajo. Cabe perforar cavidades individuales o múltiples en forma simultánea. Según el equipo utilizado, otras operaciones son torneado, refrentado, trepanado, perfilado, contorneado, ranurado, realzado, rebabeado, grabado por acción química y marcado. Otra aplicación es la producción de superficies internas rebajadas de diversos contornos. Con el adecuado aislamiento de los electrodos y el control del tiempo de maquinado, se pueden producir contornos internos que serian muy difíciles de lograr con otros métodos. El ECM se utiliza para piezas de motores "jet", toberas, levas, troqueles para forja, placas de quemadores y otras formas contorneadas. El máximo número de aplicaciones es para la industria aeronáutica. Las superficies producidas con ECM tienen esquinas lisas y sin rebabas. Con este proceso también se puede maquinar sin inducir esfuerzos adicionales en la pieza de trabajo. Otra ventaja es que no se produce fragilización de la superficie por el hidrógeno. Cantidades económicas para producción. El ECM es más conveniente para producción en volumen. Las herramientas utilizadas, aunque su configuración es casi la de la superficie que se corta, no son iguales y requieren cierto grado de perfeccionamiento. Por ello, el costo inicial de las herramientas es mucho más alto que para maquinado por eleclrodescarga; sin embargo,

PIEZAS DE MAQUINADO ELECTROQUÍMICO

4-199

TABLA 4.19-1 Diversas características de ECM contra EDM ECM Costo del equipo Costo de herramientas Relación de remoción de metal Cantidades usuales para producción Adecuación para materiales difíciles de maquinar Consumo de corriente por unidad de metal removida

Muy alto Alto Alta Medianas a altas Excelente Alto

EDM Alto Moderado Baja Bajas a medianas Excelente Moderado

una vez que se tienen y se han producido piezas satisfactorias, pueden tener duración casi indefinida y requieren poco mantenimiento. Esto, más la elevada inversión inicial en el equipo para ECM y debido a que la rapidez de remoción de metal con ECM es alrededor de 25 veces más rápida que con su proceso competidor EDM, el ECM es el más adecuado para altos volúmenes de producción. Sin embargo, debido a la cantidad de energía eléctrica que se necesita y otros costos, el proceso no puede competir con maquinado convencional para materiales y contomos normales. En general, el ECM es más competitivo para piezas de trabajo duras, formas complejas y volúmenes de producción pequeños hasta altos. En la tabla 4.19-1 aparece una comparación de las diversas características de ECM en contra de EDM. Materiales adecuados. Para el ECM se requieren materiales conductores de la electricidad; por ello no se pueden maquinar plásticos, cerámicas, vidrio ni hule. Sin embargo, se trabajan todos los metales, como hierro fundido, acero, cobre y sus aleaciones, aluminio y muchas aleaciones de metales raros. El ECM es muy ventajoso para metales difíciles de maquinar, o que no se pueden maquinar normalmente, como los aceros endurecidos, incluso los de aleación y para herramientas, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, tungsteno, molibdeno, circonio y otros metales refractarios, así como el titanio y diversas aleaciones de alta resistencia. En algunos de estos metales el maqinado electroquímico puede ser menos fácil que en otros; ahora bien, cuando el maquinado convencional es problemático por el tipo de material, el ECM siempre es un método conveniente. Recomendaciones para diseño. Es más fácil hacer agujeros y cavidades con ECM si se permite cierto ángulo de salida en las paredes; lo normal es de alrededor de 0.1% o 0.001 in/in. Si es necesario, se puede eliminar con el aislamiento de los lados del electrodo, que es un procedimiento factible pero es una complicación adicional para fabricarlo (Fig. 4.19-2). El radio interno mínimo para cavidades hecha s con ECM es de alrededor de 0.18 mm (0.007 in) pero los diseñadores deben calcular cuando menos 0.4 mm (0.015 in) (Fig. 4.19-3). También es aconsejable no especificar una curvatura externa muy pronunciada; la mínima que se puede lograr con ECM es de 0.05 mm (0.002 in) (Fig. 4.19-4). Cuando el diseñador especifica cavidades irregulares, debe incluir una desviación grande en relación con la forma nominal, si es posible, porque con ello minimiza uno de los costos de ECM: el método de prueba y error para producir el electrodo con la forma que requiere la cavidad. Factores dimensionales. Las variaciones en el sobrecorte producen la mayor parte de las desviaciones dimensionales en superficies producidas con ECM. Aparte de la diferencia entre FIG. 4.19-2 Una conicidad de 0.1% en las pael tamaño y la forma de la superficie maquina- redes laterales facilita el maquinado electroda y las del electrodo, hay otras desigualdades químico de cavidades.

4-200

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.19-4 El radio mínimo recomendado para esquinas externas con ECM es de 0.05 mm (0.002 in). que se reflejan en las variaciones dimensionales de la pieza, e incluyen la densidad y voltaje de la corriente, flujo, concentración y temperatura del electrólito y variación en el avance del electrodo. Otros factores son la flexión de la máquina por la presión del electrólito y variaciones en la precisión del electrodo en si. A pesar de ello, se logran tolerancias dimensionales precisas con ECM, las cuales se resumen en la tabla 4.19-2.

TABLA 4.19-2. Tolerancias dimensionales recomendadas para superficies hechas con maquinado electroquímico (ECM) Tolerancia normal Dimensiones específicas Contornos Acabado de superficie (en extremo del electrodo) Acabado de superficie (paredes laterales)

Tolerancia precisa

± 0.05 mm (± 0.002 in) ± 0.13 mm (± 0.005 in) 1.6 Mm (63 μin)

±0.013 mm (± 0.0005 in) ± 0.05 mm (± 0.002 in) 0.4 μm (16 μin)

3 Mm (125 μin)

1.6 Mm (63 μin)

PIEZAS DE MAQUINADO ELECTROQUÍMICO

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Rectificado electroquímico Proceso. El rectificado electroquímico (ECG) es muy similar al maquinado electroquímico (ECM). En ambos procesos se utiliza la electrodeposición inversa o sea la disolución electrolítica del metal de la pieza de trabajo con una herramienta que es el cátodo, el electrólito y corriente continua. El proceso difiere del ECM en que en este se emplean grandes volúmenes de electrólito para remover las sales metálicas que se forman; en el ECG se utiliza el electrodo en rotación a alta velocidad superficial (1200 a 1800 m/min o 4000 a 6000 ft/min para producir acción abrasiva. En el ECG la rueda abrasiva es conductora, excepto los granos de abrasivo que sobresalen alrededor de 0.025 mm (0.001 in) de la superficie de la rueda. Se inunda la pieza con el electrólito y el que fluye por la abertura estrecha entre lo granos de abrasivo salientes queda muy ionizado y produce el desprendimiento del metal. Los granos de abrasivo impiden que la rueda haga corto circuito con la pieza de trabajo. Este proceso no es totalmente electrolítico; alrededor de 10 a 20% y a veces más del metal, se remueve por acción abrasiva. El voltaje de ce entre la rueda y la pieza de trabajo es entre 4 y 8 volts; la densidad corriente es de 80 a 300 Ajan 2 (500 a 2000 A/in2 ). Por contraste con el rectificado normal, la rueda avanza con lentitud a lo largo de la pieza de trabajo; la profundidad del corte es igual o casi igual al total de material que se va a remover. Aplicaciones y capacidades. La principal aplicación del ECG es el afilado de herramientas de carburo para corte y se tiene un afilado mucho más rápido que con los métodos convencionales. Las herramientas quedan sin rebabas y libres de esfuerzos inducidos por acción mecánica o calor. El costo de la rueda es sólo alrededor del 20% del de una rueda normal de diamante para afilado de piezas de carburo, porque el desgaste de la rueda con ECG es muy pequeño. Por ejemplo, se pueden a filar todos los dientes de una fresa con insertos de carburo sin tener que rectificar la rueda. Las características de baja inducción de es fuerzos del ECG lo hacen adecuado para componentes frágiles o susceptibles de daños por calor o deformación con los esfuerzos normales del rectificado. Los ejemplos son los panales para aviones, agujas quirúrgicas, tubos de pared delgada, materiales laminados y diversas piezas con espesor menor de 1.5 mm (1/16 in), que tienen tolerancias muy precisas FIG. 4.19-5 Las ranuras estrechas y próximas para la planicidad y tendencia a deformarse en estos pequeños bloques muestran el madespués de rectificar. Esas piezas se ilustran quinado fino de piezas delicadas que se puede en la figura 4.19-5. lograr con rectificado electroquímico. (CorteEl proceso es adecuado para formar super- sía: Anocut Inc.) ficies planas o cilíndricas. En virtud de que pueden ocurrir daños por arcos eléctricos, no se debe utilizar en piezas muy esforzadas. Aunque las piezas de gran dureza y difíciles de maquinar son idóneas para ECG, el proceso se utiliza a veces para la remoción rápida de otros materiales. Cantidades económicas para producción. Las máquinas para ECG suelen ser costosas por la protección contra la corrosión por el electrólito y el costo de los circuitos eléctricos. Una vez efectuada la inversión, es fácil justificarla, aunque los tiempos de preparación son mucho mayores que para rectificado convencional. Con volúmenes de producción moderado y alto, ahorra mano de obra y ruedas abrasivas. La relación habitual de remoción de material con ECG es de 1.6 cm3/(min . 1000 A) [(0.1 in3/min 1000 A)] y varía con metales diferentes. Sin embargo, con materiales de dureza mayor de Re 60, es de 5 a 10 veces más rápido que el rectificado o afilado convencional. Materiales adecuados. Para el ECG, igual que para el ECM, el material de la pieza debe ser

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conductor de la electricidad. Los carburos, aceros inoxidables, aceros templados y aleaciones para motores de "jet" se esmerilan con ECG. En la tabla 4.19-3 se comparta el ECG con el fresado y rectificado de diversos materiales. Recomendaciones para diseño. Se necesitan radios amplios para el ECG. Con mucho cuidado y con rectificación frecuente de la rueda, los radios internos se pueden mantener entre 0.25 y 0.38 mm (0.010 a 0.015 in). Sin embargo, es preferible que sean de 0.75 a 1.0 mm (0.030 a 0.040 in). Si la ranura es profunda, se deben especificar tolerancias amplias. Se pueden especificar esquinas exteriores agudas si su sentido es tal que la rueda las atraviese al entrar o salir de la pieza de trabajo. No se debe esperar que las esquinas exteriores paralelas al plano de la rueda queden agudas. La acción electroquímica concentrada en la esquina redondea el borde, en la mayor parte de los casos, a un radio de alrededor de 0.05 mm (0.002 in). Si no se requiere un borde agudo, el diseñador debe permitir curvaturas en las esquinas externas hasta de 0.13 mm (0.005 in) para tener en cuenta todas las variaciones normales en el proceso (Fig. 4.19-6).

FIG. 4.19-6. Hay que evitar las esquinas exteriores agudas en piezas hechas con ECG. La ranura de la izquierda requiere rectificado secundario; en el lado derecho se muestra el resultado normal del empleo de ECG en las ranuras. La acción electrolítica también removerá algo de material en las superficies en ambos lados de la rueda y en las esqinas exteriores. Si los requisitos de planicidad son estrictos y la superficie rectificada es más ancha que la rueda, puede ser necesaria una pasada final de rectificado, sin acción electrolítica, por toda la superficie. Si es posible, la pieza por rectificar se debe diseñar de modo que la superficie rectificada sea más estrecha que la rueda (Fig. 4.19-7).

Más costoso (requiere pasada final no electrolítica si los requisitos de planicidad son estrictos)

Preferido (la superficie rectificada más estrecha que la rueda se puede terminar en una pasada de rectificado electroquímico)

FIG. 4.19-7 La superficie rectificada debe ser más estrecha que la rueda. Factores dimensionales. Las causas de las variaciones dimensionales en la pieza de trabajo hecha con ECG son muy similares a las de ECM. Una diferencia es que en el ECG el electrodo (o sea la rueda abrasiva) también remueve algo de material de la pieza. Siempre que la rueda la toca, se elimina casi por completo la variable del sobrecorte que siempre existe en el ECM.

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COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4-19-4 Tolerancias recomendadas para superficies de rectificado electroquímico.

Dimensiones específicas Contornos Acabado de superficie, carburo para inmersión y rectificado Acabado de superficie, carburo para rectificado transversal Acabado de superficie, acero.

Tolerancia normal

Tolerancia más exacta

± 0.025 mm (± 0.001 in) ± 0.13 mm (± 0.005 in) 0.25 μm (10 μin)

± 0.013 mm (± 0.0005 in) ± 0.05 mm (± 0.002 in) 0.13 μm (5 μin)

0.40 ^m (16 μin)

0.25 μm (10 μin)

0.75 Mm (30 μin)

0.40 μm (16 μin)

En la tabla 4.19-4 aparecen las tolerancias dimensionales para superficies de rectificado electroquímico.

Pulimento electroquímico El pulimento electroquímico (ECH) es muy similar al rectificado electroquímico porque la remoción electrolítica del metal se combina con la abrasión mecánica. Incluye los componentes normales del pulimento con piedras, es decir un husillo con movimiento rotatorio y alternativo, una herramienta que soporta cierto número de piedras abrasivas y un mecanismo para mantener las piedras en contacto con la superficie de la pieza de trabajo. Además, la máquina ECH incluye un suministro de corriente continua de 6 a 30 volts y bomba, filtro, depósito y controles de temperatura del electrólito. El soporte para las piedras abrasivas es del tamaño preciso para el agujero que se va a pulir y funciona como cátodo en el circuito electrolítico; la pieza de trabajo es el ánodo. La holgura inicial entre las piedras y la pieza es de 0.08 a 0.13 mm (0.003 a 0.005 in) y aumenta hasta alrededor de 0.5 mm (0.020 in) Conforme avanza el trabajo. Las piedras cuya longitud es más o menos la mitad de la profundidad del agujero, permanecen en contacto constante con la superficie del mismo; además, remueven las sales metálicas y el metal de la superficie, en especial en los puntos altos, y permiten que continúe la acción electrolítica. El electrólito pasa a lo largo de la herramienta, que es hueca, y por los agujeros radiales en ella para inundar uniformemente el espacio entre la herramienta y la pieza. La densidad de la corriente es entre 20 y 45 A/cm2 (120 a 300 A/in2 ). El pulimento puede continuar unos segundos después de que se corta la corriente, para dar el acabado mecánico final del agujero, aunque, a veces, ocurre lo contrario. La acción mecánica se detiene antes que la acción electrolítica por lo cual se remueven, por acción electrolítica, las moléculas esforzadas en la pared del agujero. El pulimento electrolítico se utiliza para el acabado de superficies cilindricas internas y se puede emplear en agujeros entre 10 y 300 mm ( 3/8 a 12 in) de diámetro y hasta de 300 mm (12 in) de profundidad. Además de que su ciclo es rápido, tiene otras ventajas: la superficie queda libre de rebabas y de daños por calentamiento, se inducen pocos esfuerzos de superficie y las piedras abrasivas tienen gran duración. En la actualidad, se pulen piezas como los agujeros de engranes endurecidos y de bombas con el ECH. El equipo para ECH es mucho más costoso que el convencional debido a los componentes eléctricos y para manejo del electrólito y por la necesidad de tener protección contra la corrosión. Esto, además de que las herramientas cuestan más y el tiempo de preparación es más largo que en el pulimento convencional, hacen que el proceso sea más económico para corridas largas de producción que para trabajo en cuarto de herramienlas o unas cuantas piezas. Sin embargo, cuando el ECH se puede emplear en forma económica, remueve el metal 3 a 5 veces más rápido que el pulimento con piedras.

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Los agujeros ciegos también se pueden pulir con ECH, pero son más difíciles que los agujeros pasantes. En los agujeros cietos, se facilita el paralelismo de la pared y la exactitud del diámetro si se maquina un rebajo debajo de la zona pulimentada. Un agujero de drenaje para el electrólito ayuda en esta operación. Las piezas recomendadas son las mismas, en esencia, que las ilustradas en la figura 4.16-6. Se logran tolerancias en los diámetros de ±0.0025 mm (±0.0001 in) con ECH, pero se recomiendan ±0.0060 hasta 0.0125 m (±0.00025 hasta 0.0005 in) para condiciones normales. El acabado de superficie puede ser de 0.05 μm (2 μin) y la gama normal es de 0.1 a 0.8 μm (4 a 32 μin).

Rectificado por descarga electroquímica El rectificado por descarga electroquímica (ECDG), llamado a veces maquinado por descarga electroquímica (ECDM), es un proceso en que se combinan las características del rectificado electroquímico y del rectificado por descarga eléctrica. Sin embargo, casi toda la remoción del metal se produce por la sola disolución anódica del metal de la pieza de trabajo. Ésta es también la base del rectificado electroquímico y oíros procesos electroquímicos. En el ECDG, los valores como voltaje de la corriente, composición de electrólito, abertura o entrehierro, etc., son diferentes. No obstante, la remoción del metal es por el mismo proceso: los iones negativos en el electrólito se combinan con el metal de la pieza de trabajo para formar óxidos que se pueden remover. Las descargas eléctricas desintegran la película de óxido y la arrastra el flujo del electrólito. La rueda es de grafito y no tiene abrasivos; es el cátodo y la pieza de trabajo el ánodo para la electrólisis. La rueda de grafito gira a una velocidad superficial de 1200 a 1800 m/min (4000 a 6000 ft/min) para hacer circular el electrolito. Cabe maquinar superficies planas y contorneadas en una sola pasada. El ECDG se utiliza principalmente para afilar herramientas de carburo para corte, incluso las formadoras y los insertos para limpiar roscas. Se emplea para piezas de acero endurecido o de aleación de níquel y en piezas delicadas como panales, tubo de pared delgada y agujas quirúrgicas, y las superficies están libres de rebabas y esfuerzos. Sólo se pueden utilizar materiales conductores de la electricidad. El ECDG es alrededor de 5 veces más rápido que su competidor más cercano, el rectificado por electrodescarga. La rueda de grafito es más barata que la requerida para EDG, aunque es menos exacta que aquélla y requiere mucha más corriente eléctrica. Igual que para otros procesos electroquímicos, el costo del equipo es más alto que el del convencional. La relación de corte normal es de 0.1 cm3/min (0.006 in3/min) en carburo y de 0.25 cm3/min (0.015 in3 /min) en acero. Las limitaciones para el diseño son semejantes a las de los procesos para rectificado mecánico. La fácil afinación de las ruedas de grafito hace que sea un tanto fácil rectificar formas complejas con ECDG. Las tolerancias dimensionales recomendadas para ECDG son de ±0.025 mm (±0.001 in) y se pueden lograr ±0.013 mm (±0.0005 in) con un control preciso. Los acabados de superficie son entre 0.13 y 0.40 μm (5 a 16 μin) en carburo y de 0.40 a 0.75 μm (16 a 30 μin) en acero.

CAPÍTULO 4.20

Piezas de maquinado químico

WelsfordJ. Bryan Robert Bosch Corporation Charleston, South Carolina

Proceso de maquinado químico en general Procesos específicos de maquinado químico y sus aplicaciones Fresado químico Grabado químico Punzonado fotoquímico Rebabeado químico Factores económicos del maquinado químico Materiales adecuados Recomendaciones para diseño de piezas hechas con maquinado químico Recomendaciones de factores y tolerancias dimensionales

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COMPONENTES MAQUINADOS

Proceso de maquinado químico en general El punzonado y fresado fotoquímico, el fresado, el grabado y el rebabeado químicos son procesos muy relacionados entre si. En todos ellos, se remueve el metal por la acción corrosiva de una solución acida o alcalina que actúa contra las superficies descubiertas de la pieza de trabajo. La acción química sustituye al corte mecánico del maquinado convencional. Todos estos procesos necesitan una secuencia de operaciones, algunas comunes para todos y que son: 1. Limpieza y enjuague. Las piezas que se van a procesar deben estar libres de aceite y grasa, mugre, costras del tratamiento térmico y de pasta para pulir o asentar. Si no se eliminan todos los cuerpos extraños, la remoción del metal será dispareja. Se suelen emplear los procedimientos normales para limpieza, como desengrasado con vapor, frotación con disolventes y limpieza con compuestos alcalinos. 2. Enmascarillado. Las zonas que no se van a someter a maquinado químico deben enmascarillarse. Se emplean diversos métodos, según el tipo de maquinado químico que se va a utilizar. 3. Acción corrosiva (maquinado químico). Se suele efectuar por inmersión de la pieza de trabajo en la solución química. 4. Desprendimiento de la mascarilla, limpieza, enjuague y secamiento finales o tratamiento contra herrumbre. Son pasos subsecuentes comunes.

Procesos específicos de maquinado químico y sus aplicaciones Fresado químico. La superficie de las piezas se fresa químicamente o se máquina en forma selectiva mediante el empleo de mascarillas en las zonas que no se van a maquinar. Este proceso se utiliza en piezas muy grandes en donde se necesita remover poco metal. Cuando se va a efectuar el maquinado selectivo y se emplea el método de trazado y desprendimiento, el material de mascarilla se aplica en la pieza por aspersión, inmersión o con pincel o brocha. Se traza la mascarilla ya seca a partir de un modelo y se desprende de la pieza de trabajo para descubrir las zonas en que se va a realizar el fresado (maquinado) químico. La mascarilla se puede aplicar selectivamente ya sea mediante el proceso de cobertura con seda o con método fotográficos. El maquinado tiene lugar cuando se sumerge la pieza, colocada en una canastilla o colgada en una rejilla, en la solución química. Se necesita agitar la pieza o hacer cirular la solución para eliminar uniformemente del metal la superficie descubierta. El material de mascarilla se elimina a mano o con una solución para desenmascarillar. La aplicación principal del fresado químico es para piezas con cavidades o bolsas de poco fondo o en las que se necesita una reducción total de peso. Su empleo principal ha sido en la industria aeroespacial para obtener máximas relaciones entre resistencia y peso. Las piezas muy grandes como el revestimiento y secciones de fuselaje y extrusiones para el armazón de aeronaves, se trabajan con fresado químico. Cuando se utilizan mascarillas para trazar y desprender, se pueden hacer cortes hasta de 13 mm (0.5 in) de profundidad. Con mascarillas delgadas, aplicadas con el proceso de cobertura con seda, que son menos resistentes a los productos químicos, la profundidad del corte está limitada a 1.5 mm (0.060 in), pero se puede lograr una cavidad más exacta y detallada. Los materiales fotorresistentes permiten más detalles y exactitud, pero la profundidad del corte está limitada a 1.3 mm (0.050 in). En las láminas y placas se produce un biselado (achaflanado o ahusamiento) al sumergir y retirar la pieza de trabajo del baño para corroer a una velocidad controlada. Para producir un escalonado, se repiten los ciclos de grabado con enmascarillado de diferentes zonas. Las ventajas del fresado químico son: 1) es posible quitar metal en uno o más lados; 2) es factible maquinar metales frágiles o endurecidos de sección delgada; 3) no se producen rebabas; 4) formas que no se pueden maquinar convencionalmente, o fundir o extruir, a veces se pueden maquinar químicamente; 5) no se introducen esfuerzos internos como en el maquinado convencional. Sus desventajas son: 1) se requiere equipo para control de la contaminación y protectores para el manejo de productos químicos; 2) la profundidad del corte está limitada a 13 mm (1/2 in) en placas y es menor en piezas forjadas, fundidas y extruidas;

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3) las superficies internas de cilindros y otras formas que limitan la circulación no permiten la eliminación uniforme del metal; 4) los materiales deben ser de composición y estructura homogéneas; en ocasiones las zonas soldadas con arco o gas o con soldadura fuerte y las piezas fundidas porosas dan resultados inaceptables; 5) las raspaduras, abolladuras, ondulaciones en la superficie y otras irregularidades suelen permanecer en la superficie de la pieza, excepto en el magnesio, donde desaparecen esos defectos. El fresado químico se utiliza con más frecuencia para reducir el peso o espesor de las piezas después de otras operaciones. A las almas y costillas, que son muy delgadas para extrusión, fundición, forja o maquinado, se les da la delgadez deseada después de fabricarlas con dimensiones mayores (Fig. 4.20-1).

FIG. 4.20-1 El maquinado químico reduce más el espesor de costillas y almas que los procesos mecánicos para eliminación o formación de metales. (Tomado de Non-traditional Machining Processes, American Society of Tool and Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1967.) Grabado químico. Es un proceso muy semejante, en el cual se emplea maquinado químico para eliminar metal de zonas seleccionadas de rótulos o letreros metálicos, u otros componentes, para producir las letras, figuras y otras configuraciones deseadas. El grabado químico es un sustituto del grabado mecánico con pantógrafo. Las letras pueden estar realzadas o acanaladas. Por lo general, se utiliza una mascarilla fotorresistente, en especial si el grabado ha de tener detalles finos; la mascarilla también se puede aplicar con proceso de cobertura de seda. La zona grabada se puede llenar con pintura u otro material de un color que contraste con el de la parte no grabada. A veces, se anodizan piezas de aluminio en la zona grabada con un color contrastante con el resto de la pieza. En la figura 4.20-2 se ilustran los pasos principales del grabado químico. Este proceso se suele utilizar cuando las imágenes deben ser más duraderas que las producidas con métodos de impresión. Los metales de empleo más común son aluminio, latón, cobre y acero inoxidable. Las piezas típicas producidas son tableros de instrumentos, rótulos o letreros metálicos de nombre, planchas para imprimir, rótulos y dibujos. El grabado químico es particularmente adecuado para piezas que requieren grabado muy fino. Los materiales duros o difíciles de maquinar se graban con más FIG. 4.20-2 Pasos principales del grabado químifacilidad con el método químico que con pan- co. Se han exagerado el espesor de la película y la tógrafo. profundidad del grabado para una mejor apreciación. (Tomado de Non-tradilional Machining ProPunzonado fotoquímico. Con este proceso se cesses, American Society of Tool and Manufacpunzonan piezas; para ello se cubre la lámina turing Engineers, Dearborn, Mich., 1967.)

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COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.20-3 Pasos principales para el punzonado fotoquímico. (Cortesía: Meclianical Engineering.) con una mascarilla de precisión hecha con técnicas fotográficas y se elimina el metal por maquinado químico. El proceso se esquematiza en la figura 4.20-3. El material fotorresistente se aplica por inmersión, aspersión, recubrimiento por chorro o con rodillo. Se pueden poner dos mascarillas fotorresistentes, una en cada lado de la pieza, para minimizar el rebajo. La principal aplicación del punzonado fotoquímico es producir piezas muy complejas en lámina delgada; la pieza terminada no tiene rebabas. Las piezas típicas son laminados para motores eléctricos, mascarillas de sombra para TV a colores, pantallas muy finas, tarjetas de circuito impreso, resortes de disco ranurado y juntas (empaques). El espesor de las piezas hechas con punzonado fotoquimico puede ser entre 0.0013 y 3 un (0.00005 y 1/8 in), pero suele ser de 0.0025 a 0.8 mm (0.0001 a 1/32 in) y pueden tener hasta 60 cm (24 in) de longitud. Por lo general, las piezas son planas pero pueden estar curvadas en una de sus secciones. En la figura 4.20-4 se ilustran diversas piezas. Las ventajas del punzonado foloquímico es que se trabajan materiales duros, muy delgados o frágiles en los que el punzonado convencional es difícil. Además, se pueden producir formas muy complejas sin troqueles para punzonar y las piezas no tienen rebabas. Las desventajas incluyen la necesidad de equipo fotográfico, la especialización de los operarios, la incapacidad para producir esquinas agudas y que los productos químicos para el grabado requieren precauciones y protección contra la corrosión para seguridad del personal. Rebabeado químico. El maquinado químico ha resultado muy eficaz para eliminar rebabas. Las piezas que se van a rebabear se colocan en un barril horizontal o una rejilla giratoria. Las piezas, la solución química o ambas se mantienen en movimiento durante el trabajo. Este proceso elimina o reduce las rebabas producidas durante el maquinado, troquelado

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FIG.4.20-4 Piezas hechas por punzonado fotoquímico. (Cortesía: Conard Corp.)

u oíros procesos de manufactura de metales. Si las rebabas son demasiado gruesas, de todos modos las piezas se pueden procesar en el baño eliminador para reducir las rebabas a un tamaño accesible a otros procesos de eliminación. El rebabeado químico se puede emplear en materiales ferrosos y no ferrosos; los ferrosos pueden estar recocidos, normalizados o endurecidos, pero antes hay que eliminar todas las costras del tratamiento térmico, lo cual se suele hacer con un baño de ácido. Por lo general, la pieza de trabajo no se deforma durante este proceso. Las piezas pequeñas se trabajan con más facilidad porque se pueden cargar en un barril giratorio que permite buen contacto entre la solución química y las piezas. Las piezas grandes se cuelgan de rejillas y cabe utilizar piezas con una longitud igual a la que permita el tamaño del tanque. Dado que la solución para rebabeado químico quita material de todas las superficies y no sólo las rebabas, a veces se necesita proteger la superficie contra la pérdida de metal, para lo cual se cubre con una mascarilla. Este sistema también es ventajoso y económico para retrabajar o recuperar piezas que, en otra forma, se irían como desperdicio, por ejemplo, tomillos con sobremedida o piezas con cavidades o agujeros con menor medida. El rebabeado químico tiene la ventaja de que es económico pues se evita el manejo de piezas individuales. Produce resultados controlados y reproducibles y mejor acabado de la superficie de las piezas. La desventaja es que elimina material de todas las superficies, lo cual es indeseable en algunos casos. Para evitarlo, tal vez necesite mascarilla. Es posible eliminar las rebabas grandes, pero también se remueven grandes cantidades de metal de superficies sin mascarilla, lo que puede ser indeseable porque altera las dimensiones básicas. El rebabeado químico, igual que los otros procesos de maquinado químico, requiere equipo para control de la contaminación.

TABLA 4.20-1 Velocidad de eliminación de material en rebabeado químico Velocidad de eliminación 0.0025-0.0038 mm/min (0.00010-0.00015 in/min) 0.0046-0.0064 mm/min (0.00018-0.00025 in/min) 0.0090-0.0115 mm/min (0.00035-0.00045 in/min)

Aplicación Eliminación de metal por pulimento, pulimento de superficies, trabajo con tolerancia muy precisa cuando hay que controlar tamaño de roscas Rebabeado químico para uso general Eliminación intensa de metal cuando ésta es más importante que el control del tamaño

Factores económicos del maquinado químico Los procesos de maquinado químico suelen ser más ventajosos para producción en bajas cantidades. Las excepciones son el rebabeado químico que puede competir con otros métodos en la producción en serie, y el grabado químico cuando se requieren detalles finos. Con los detalles finos, quizá otros métodos de grabados no sean tan adecuados aunque se trate de cantidades grandes. Por lo general, los bajos costos de equipo y herramientas para los procesos de maquinado químico los hacen atractivos para cantidades pequeñas. A la inversa, la baja velocidad de eliminación de metal y altos costos unitarios, no los hacen aconsejables cuando las cantidades son lo bastante grandes para amortizar las herramientas requeridas para procesos convencionales. El equipo para maquinado químico es menos costoso que las máquinas herramientas convencionales, a pesar de que se necesita protección contra la corrosión y contaminación. También se puede necesitar equipo fotográfico o de otro tipo para hacer las mascarillas. El herramental que consiste en mascarillas, matrices fotográficas o las pantallas para proceso de cobertura con seda para hacer las mascarillas, las rejillas y sujetadores también son menos costosos que los dispositivos o troqueles convencionales. Cuando se utiliza el punzonado fotoquimico, la producción de los originales o plantillas y la hechura de las transparencias para la mascarilla de grabado pueden requerir entre 2 y 10 horas hombre. La eliminación normal de metal en profundidad varía de 0.0025 a 0.13 mm/min (0.0001 a 0.0005 in/min). En el rebabeado químico la velocidad es baja, en especial si hay que mantener el control del tamaño. El punzonado y fresado químicos pueden estar dentro de la gama alta de estos valores. Sin embargo, el fresado químico incluye la eliminación de 0.0025 a 0.0050 mm/min (0.0001 a 0.0002 in/min). En la tabla 4.20-1 se presentan la velocidad de eliminación y las aplicaciones del rebabeado químico. Otros factores que influyen en el caso unitario son los costos de los productos químicos, mascarillas, mano de obra, y el control y eliminación de las soluciones químicas. Salvo que el proceso esté mecanizado, la preparación y aplicación de la mascarilla y el maquinado químico pueden tener un alto porcentaje de mano de obra. Los métodos de maquinado químico se prestan para trabajo con prototipos y producción limitada.

Materiales adecuados En general, se maquina con medios químicos cualquier material que se pueda grabar o disolver por acción química. Se han procesado muchos metales ferrosos y no ferrosos. Los materiales no metálicos, como los plásticos, son menos adecuados porque la solución química para grabar la pieza puede atacar la mascarilla. El proceso se creó para aleaciones de aluminio y magnesio, pero pronto se amplió paa aceros al carbono, de aleación e inoxidables, latón, aleaciones de níquel y otros metales. La calidad del material seleccionado para este proceso es tan importante como la elección básica del mismo. Los factores por considerar incluyen tamaño del grano, dirección de laminación, dureza, limpieza interna (ausencia de inclusiones) y calidad de la superficie (ausencia de óxidos u otros efectos de la corrosión). 4-212

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Los materiales deben ser de estructura y composición homogéneas. El maquinado químico en una costura soldada puede producir picaduras y eliminación dispareja del metal. En las aleaciones de aluminio también se pueden producir resultados desiguales debido a la porosidad y falta de uniformidad del metal fundido. Las uniones hechas con soldadura fuerte también producirán resultados inaceptables. Los materiales más comunes para el grabado químico son aluminio, latón, cobre y acero inoxidable. Ahora bien, es imortante tener en cuenta que el latón y el cobre producen un acabado terso en las zonas grabadas, por lo que el acabado mate, que ayuda a la adherencia del material de relleno resulta un tanto difícil de lograr con estos metales. El rebabeado químico se emplea en materiales ferrosos y no ferrosos. Las piezas pueden estar recocidas, normalizadas, carburizadas, carbonitruradas o con endurecimiento total. Antes del proceso, hay que eliminar todas las costras del tratamiento térmico. Por lo general se prefieren los aceros al bajo carbono, en lugar de los de alto contenido, porque no se ennegrecen; pero, si se utilizan aceros al alto carbono, hay que eliminar el ennegrecimiento con baño de ácido. Algunos de los materiales que se han procesado con métodos de maquinado químico son aleaciones de aluminio, aceros al carbono y de aleación, aceros de ultraalta resistencia, aceros inoxidables, aceros endurecidos por precipitación, aleaciones de titanio, aleaciones de magnesio, aleaciones de cobre y de níquel, acero para herramientas, niobio y varias aleaciones para alta temperatura. Algunas aleaciones, como Rene 41, Waspalloy e Inconel X requieren mordientes muy activos, que son demasiado fuertes para utilizarlos con mascarillas fotorresistentes.

Recomendaciones para diseño de piezas hechas con maquinado químico Cuando se trata de una pieza para maquinado químico, el diseñador debe recordar que la solución actúa sobre toda la superficie de la pieza que toca. La superficie que no requiera maquinado se protege con una mascarilla. Otra opción es tener en cuenta o compensar la pérdida de material de la superficie. Por lo general, no se aplican mascarillas selectivas a las piezas que van a rebabearse químicamente, sino que se diseñan a una medida un poco mayor para permitir la eliminación de material de todas las zonas. En otros casos, el diseñado puede permitir eliminación de metal con sólo especificar una tolerancia no estricta del tamaño rebajado. Al diseñar piezas en que habrá rebabeado químico, es importante conocer los procesos de manufactura que se utilizarán y el tipo y tamaño de rebabas posibles. Por ello, el diseñador debe calcular la cantidad máxima de metal que se perderá y compensarla; también debe tener presente que los bordes de la pieza se desintegran con el doble de rapidez que la eliminación de metal en las otras superficies. La tolerancia para eliminar metal se debe basar en la requerida para eliminar las rebabas más difíciles. Las esquinas agudas, por lo general, se pueden redondear a un radio de alrededor de 0.7 a 1.0 mm (0.003 a 0.004 in). En la tolerancia para eliminar metal se debe tener en cuenta que el grabado ocurre en direcciones horizontal y vertical cuando la pieza se somete a maquinado o punzonado químico,

FIG. 4.20-5 El rebajo se produce por efecto del grabado horizontal. (Tomado de B. W. Niebel y A. Draper, Product Design and Process Engineering, © 1974 por McGraw-Hill Inc. Utilizada con permiso de McGraw-Hill Book Company.)

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COMPONENTES MAQUINADOS

como se ilustra en la figura 4.20-5. El grabado produce un rebajo o socavadura debajo del borde de cualquier mascarilla utilizada y, por lo general, el rebajo que está inmediatamente debajo de la mascarilla tendrá el mismo tamaño aproximado que la profundidad de corte. En ese rebajo también se produce cierta conicidad porque las superficies verticales cerca de la mascarilla están expuestas más tiempo a la solución química. Al diseñar piezas para punzonado químico se debe tener en cuenta que el borde de las piezas no estará a escuadra. La conicidad normal en las piezas punzonadas desde un lado es la décima parte del espesor del material. Si el grabado se efectúa en ambos lados, la conicidad es la mitad de grande, T/20. La pieza se debe diseñar para evitar que la solución química o los gases queden atrapados. Evítense los materiales porosos y diseños de piezas con cavidades profundas y estrechas o uniones dobladas en el metal. Las piezas que se harán con mascarillas fotográficas o de proceso de cobertura con seda deben tener superficies lo más planas que sea posible. Las plantillas para trazar mascarillas aplicadas por aspersión o inmersión son más económicas si la superficie que se va a maquinar es plana o tiene curvatura en una sola dirección. Para el fresado químico de aluminio, hay que señalar la dirección del grano en los planos. Las zonas grabadas se deben proyectar para minimizar cortes transversales al grano, o se deben trazar a un ángulo de 45° a la dirección de grano. En un buen diseño de piezas para fresado químico, por lo general se excluyen cortes y agujeros profundos y estrechos, bandas estrechas y conicidades pronunciadas. La anchura mínima de la banda entre cavidades maquinadas depende del método para enmascarillar. Con mascarillas trazadas, los diseñadores deben especificar una anchura de banda de doble de la profundidad del corte, pero en ningún caso menor de 3 mm (1/8 in); la anchura de la banda no necesita ser mayor de 25 mm (1 in). Con mascarillas aplicadas con proceso de cobertura con seda se logran bandas mucho más Anchura mín. de banda no menor de 3 mm (1/8 in) y2D, pero no mayor de 25 mm (1 ¡n)

FIG. 4.20-6 Anchuras mínimas de bandas en piezas con fresado químico.

FIG. 4.20-7 Anchuras mínimas de ranuras, agujeros y cavidades en piezas con fresado químico

estrechas, pero con cortes de muy poca profundidad; con las fotorresistentes, se obtienen bandas todavía más estrechas y menores profundidades de corte (Fig. 4.20-6). La anchura mínima de una cavidad hecha por fresado químico debe ser del doble de la profundidad del corte, más 1.5 mm (0.060 in) adicionales para cavidades hasta de 3 mm (0.120 in) de profundidad y del doble de la profundidad del corte y 3 mm (0.120 in) adicionales en cortes más profundos. Cuando se utilizan mascarillas fotográficas, la anchura mínima recomendada para ranuras, agujeros y otras cavidades es el doble de la profundidad del corte. Sin embargo, si se va a necesitar un agujero o ranura muy estrechos en una pieza para punzonado químico, se pueden obtener las siguientes anchuras mínimas como función del espesor, T, del material, cuando se graba desde ambos lados: aluminio, 1.4 T; aleaciones de cobre, 0.7 T, acero inoxidable 1.4 T y acero 1.0 T. Cuando sólo se requiere grabado a poca profundidad, las anchuras mínimas obtenibles en las zonas grabadas son: con mascarillas de trazar y desprender, 1.5 mm (0.060 in); con mascarillas de proceso de cobertura con seda, 0.25 mm (0.010 in) y con mascarillas fotográficas, 0.13 mm (0.005 in).

PIEZAS DE MAQUINADO QUÍMICO

4-215

Cuando se va a hacer una pieza con lámina o placa metálica por fresado químico, a menudo es preferible dejar un exceso de material en las orillas de la pieza para recortarlas después del fresado. El recortado puede ser más económico y rápido que enmascarillar los bordes de la pieza. Con el maquinado químico no se producen esquinas internas agudas. Se deben esperar radios entre 0.5 y 1 vez más grandes que la profundidad grabada y tenerlo en cuenta en los planos o diagramas. Las esquinas externas pueden ser más agudas, con radios más o menos iguales a la tercera parte de la profundidad de corte, si son necesarios (Fig. 4.20-8). Para rebabeado químico en un barril rotatorio, hay que diseñar las piezas de modo que tengan libre rotación en la solución sin que se adhieran ni "enreden".

Recomendaciones de factores y tolerancias dimensionales Con el maquinado químico se mantienen tolerancias muy precisas. La principal variable dimensional es la exactitud de las dimensiones de la pieza antes del maquinado químico. Otros factores son la precisión del original o plantilla utilizados para hacer la mascarilla, la exactitud de la mascarilla (como resultado de la exactitud del trazado, si la mascarilla se hace a mano, o la del sistema de proceso de cobertura con seda o fotográfico, si se utilizan), lo correcto de la tolerancia para rebajos y la uniformidad del grabado y otras condiciones del proceso. En la tabla 4.20-2 se presentan las toleran cias recomendadas para profundidad de cortecon fresado químico. Las tolerancias para longitud y anchura de las cavidades hechas con FIG. 4.20-8 Radios mínimos de esquinas con fresado químico son: fresado químico. Con mascarillas de trazo y desprendimiento y cortes hasta de 1.3 mm (0.050 in), profundidad: ±0.38 mm (0.015 in) . Con mascarillas de trazo y desprendimiento y cortes mayores de 1.3 mm (0.050 in): profundidad ±0.64 mm (0.025 in). Con mascarilla de proceso de cobertura

con seda: ±0.25 mm (0.010

in). Con fotoprotector: véase la tabla 4.20-3. En la tabla 4.20-3 se dan las tolerancias recomendadas para el punzonado fotoquímico de diversos metales. Las tolerancias para piezas con grabado químico se suelen especificar a ±0.13 mm (0.005 in), pero se pueden lograr valores más precisos si es necesario, en especial para las dimensiones

TABLA 4.20-2 Tolerancias recomendadas para profundidad de corte para fresado químico Profundidad de corte, mm (in) Hasta 2.15 (0.085) 2.16-3.05 (0.086-0.120) 3.06-3.94 (0.121-0.155) 3.95-4.84 (0.156-0.190) 4.85-5.84 (0.191-0.230) 5.85-7.10 (0.231-0.280) 7.11-8.65 (0.281-0.340) 8.66-10.16 (0.341-0.400)

Tolerancia recomendada, mm (in) ±0.025 (0.001) ±0.038 (0.0015) ±0.050 (0.002) ±0.064 (0.0025) ±0.076 (0.003) ±0.089 (0.0035) ±0.102 (0.004) ±0.114 (0.0045)

4-216

COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4.20J Tolerancias recomendadas de longitud y anchura para piezas de punzonado fotoquímico Tolerancia, mm (in) Espesor del material, mm (in) 0.050 (0.002) 0.127(0.005) 0.25(0.010) 0.50 (0.020) 1.0 (0.040) 1.5 (0.060)

Aleaciones de aluminio 0.050 (0.002) 0.076(0.003) 0.102(0.004) 0.15 (0.006) 0.20 (0.008) 0.30 (0.012)

Cobre y sus aleaciones 0.025 (0.001) 0.050(0.002) 0.076(0.003) 0.13 (0.005) 0.15 (0.006) 0.18 (0.007)

Níquel 0.025 (0.001) 0.076(0.003) 0.127(0.005) 0.25 (0.010)

Aceros inoxidables

Acero de baja aleación

0.025 (0.001) 0.050(0.002) 0.076(0.003) 0.13 (0.005) 0.25 (0.010) 0.35 (0.014)

0.025 (0.001) 0.050(0.002) 0.102(0.004) 0.15 (0.006) 0.25 (0.010) 0.30 (0.012)

NOTA: estos valores se aplican para producción normal y dimensiones de 50 mm (2 in) o menos. Las dimensiones más grandes requieren tolerancias proporcionalmente mayores. En condiciones muy controladas y con un mayor costo, se pueden obtener valores 50% más altos que los mencionados.

TABLA 4.20-4 Gamas normales de acabado de superficie después del maquinado químico Acabado normal de superficie Metal Aluminio Cortes hasta 6.3 mm (0.250) de profundidad Cortes de más de 6.3 mm (0.250 in) de profundidad Magnesio Titanio Acero

Gama

Promedio

1.75-3.13 μm (70-125 μin)

2.25 μm (90 μin)

2.00-4.13 μm (80-165 μin)

2.88 μm(115 μin)

0.75-1.75 μm (30-70 μin) 0.75-1.25 μm (30-50 μin) 0.75-6.25 μm (30-250 μin)

1.25 μm (50 μin) 0.63 μm(25 μin) 1.75 μm (70 μin)

de las letras y la profundidad del grabado. Las tolerancias en piezas para rebabeado químico deben ser las mismas que antes de la eliminación aunque, como se mencionó, habrá un ligero cambio en las dimensiones básicas debido al metal eliminado al rebabear. El acabado de superficie de las piezas hechas por maquinado químico depende del acabado de superficie original de las piezas, del corrosivo utilizado, del material de la pieza, la profundidad del corte y el tipo de tratamiento térmico de la pieza. Cuanto más liso sea el acabado de superficie antes del maquinado químico, mejores resultados se lograrán. En la tabla 4.20-4 se mencionan las gamas y promedio de acabado de superficie con los metales que se suelen someter a maquinado químico. El acabado ideal de las superficies con grabado químico es de 0.5 a 1.3 μm (20 a 50 μin) y se puede lograr con el corrosivo adecuado y los cortes de poca profundidad típicos del grabado químico.

CAPÍTULO 4.21

Piezas producidas con otros procesos modernos para maquinado

Maquinado por chorro de abrasivo Proceso Aplicaciones y características Costos y cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas Maquinado por flujo de abrasivo Aplicaciones y características Costos y cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Recomendaciones para tolerancias Maquinado ultrasónico Proceso Aplicaciones y características típicas Costos y cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Factores dimensionales y tolerancias recomendadas Maquinado hidrodinámico Maquinado con haz de electrones Proceso Aplicaciones y características Costos y cantidades para producción Materiales adecuados

4-218 4-218 4-218. 4-218 4-218 4-219 4-219 4-219 4-220 4-220 4-222 4-222 4-222 4-222 4-222 4-222 4-223 4-223 4-223 4-224 4-225 4-225 4-225 4-226 4-226 4-226 4-217

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COMPONENTES MAQUINADOS

Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas Maquinado con rayo láser Aplicaciones y características típicas Costos y cantidades económicas para producción Materiales adecuados Recomendaciones para diseño Tolerancias recomendadas

4-227 4-227 4-227 4-227 4-228 4-229 4-229 4-230

Maquinado por chorro de abrasivo Proceso. En el proceso de maquinado por chorro de abrasivo (AJM, del inglés abrasive-jet machining) se logra la acción cortante con el abrasivo en polvo que se hace chocar contra la pieza de trabajo mediante una corriente de alta velocidad de un gas portador. La corriente se afoca media nte una boquilla con abertura de 0.13 a 0.81 IB (0.005 a 0.032 in) y con avance entre 150 y 300 m/s (500 a 1000 ft/s). El ga s porta dor su ele ser aire, pero puede ser dióxido de carbono o nitrógeno a una presión de 200 a 830 kPa (30 a 120 psi). El abrasivo es óxido de aluminio, carburo de silicio o vidrio molido, y la boquilla es de carburo de tungsteno o de zafiro. Para cortes de precisión la boquilla está montada en un aparato que permite colocarla con exactitud; para desbastar, rebabear o rebajar la boquilla se suele tener en la mano. En algunos casos se utilizan mascarillas de hule, vidrio o cobre para confinar la acción abrasiva a una zona determinada de la superficie de la pieza de trabajo. Aplicaciones y características. Con el AJM se puede cortar, taladrar, ranurar, recortar, grabar, limpiar, rebabear, tallar y rebajar materiales. Algunas aplicaciones actuales son: recortar resistores para darles valores precisos, desprender el barniz de alambres, cortar dibujos y formas en semiconductores de silicio, esmerilar vidrio, taladrar, cortar y recortar láminas delgadas de tungsteno o de acero endurecido, grabar nombres y marcas en algunas piezas, eliminar revestimientos de superficies, en particular en una sola zona de la pieza de trabajo; además, extraer herramientas rotas de agujeros y hacer los ajustes finales o pequeñas modificaciones en moldes de acero endurecido. Otros productos maquinados con AJM son prótesis dentales, joyería, cojinetes de empuje de acero de aleación endurecido y filtros ópticos laminados (Fig. 4.21-1). Se genera muy poco calor durante el AJM y no hay daños por calor en las superficies. Por tanto, el proceso tiene la gran ventaja de que se pueden maquinar componentes sensibles al calor. La anchura mínima de ranuras que se puede cortar con AJM es de 0.13 mm (0.005 in). La conicidad en las paredes de un corte hecho con AJM es inherente y se agranda conforme aumenta el espacio entre la boquilla y la pieza de trabajo. Costos y cantidades económicas para producción. El equipo manual es poco costoso y los costos del herramental son bajos, por tanto el proceso es económico para cantidades pequeñas. En cualquier caso, la elección del AJM no depende de la cantidad de producción. El proceso es lento; por lo general se elimina 0.016 cm3 /min (0.001 in3 /min) de material y sólo se emplea cuando no se pueden utilizar procesos convencionales y más rápidos para eliminación de metal debido al tipo de material de la pieza. El empleo principal de este proceso es para acabado y corte ligero cuando su baja velocidad de corte no resulta desfavorable. Materiales adecuados. El AJM es muy ventajoso para materiales duros, frágiles y sensibles al calor, como porcelana, vidrio, cerámicas, zafiro, cuarzo, tungsteno, aleaciones de cromo-níquel, metales endurecidos y semiconductores como germanio, silicio y galio.

PIEZAS PRODUCIDAS CON OTROS PROCESOS MODERNOS PARA MAQUINADO

4-219

FIG. 4.21-1 Un chorro de abrasivo conectado con un pantógrafo, corta dibujos complicados en semiconductores de silicio. (Cortesía: S. S. White Industrial Products.) Recomendaciones para diseño. Los diseñadores que especifican piezas para hacerlas con AJM deben tener en cuenta lo siguiente: 1. La conicidad de las paredes laterales de agujeros, ranuras y otros cortes debe ser, cuando menos, de 0.05 mm/cm (0.005 in/in) de profundidad. 2. La configuración de la pieza debe permitir el acceso a la boquilla de chorro de abrasivo; es decir, no se deben hacer los cortes inmediatamente adyacentes o escalones o protuberancias. 3. En los cortes para separación se debe tener en cuenta una separación de, cuando menos, 0.13 mm (0.005 in) pero, de preferencia, de 0.45 mm (0.018 in). 4. Las esquinas no deben ser agudas; hay que emplear un radio de 0.1 mm (0.004 in). Estas recomendaciones se ilustran en la figura 4.21-2 Tolerancias recomendadas. La tolerancia normal en las dimensiones de las zonas maquinadas es de ±0.13 mm (0.005 in) aunque es posible que sea de ±0.05 mm (0.002 in) si se tiene mucho cuidado. Una tolerancia deseada para acabado de superficie es de 1.3 μm(50 μin), que permitirá el empleo de abrasivos más grandes de corte más rápido. Si es necesario, el acabado de superficie se puede mantener a 0.25 μm (10 μin) mediante abrasivos finos de corte más lento.

Maquinado por flujo de abrasivo El maquinado por flujo de abrasivo (AFM del ingles abrasive-flow machining) incluye el empleo de un medio o compuesto viscoso y semisólido en vez de la corriente de gas y abrasivo del AJM. Para el AFM la pieza de trabajo se fija entre dos cilindros. Este medio, de consis-

4-220

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG. 4.21-2 Recomendaciones para diseño con maquinado por chorro de abrasivo.

tencia similar a una masilla ("mastique"), se bombea por acción hidráulica de un cilindro a otro y se extruye a través o encima de la pieza de trabajo. Los granos de abrasivo en el medio friccionan las superficies de la pieza de trabajo, en particular donde hay esquinas agudas o rebabas, y eliminan el material con suavidad. Pueden ocurrir desde una hasta centenares de inversiones en el flujo del medio. La presión del medio o compuesto es de 690 a 11 000 kPa (100 a 1600 psi). Los compuestos son patentados y contienen espesantes y lubricantes además de las partículas abrasivas, cuyo tamaño es desde el No. 8 hasta el No. 500. Los abrasivos pueden ser óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de boro o diamante. Los dispositivos para sujetar la pieza de trabajo deben resistir la abrasión en las zonas en que hace contacto el medio; se hacen con acero endurecido, cerámica o uretano. Aplicaciones y características. El AFM es, principalmente, un proceso para rebabear en lugares de difícil acceso con otros métodos. (Si las rebabas se pueden eliminar por frotación vibratoria o en barril, ese método suele ser más económico que el AFM.) Otros usos del AFM son redondear esquinas agudas, en particular en la intersección de superficies maquinadas internas, para pulimento y eliminación de pequeñas imperfecciones en la superficie. Un ejemplo de limpieza de superficies es eliminar la capa que se vuelve a formar en los agujeros producidos con EDM o rayao láser. Se pueden maquinar agujeros de 0.4 mm (0.016 in) de diámetro con AFM. Aunque quizá no sea practico eliminar rebabas grandes con AFM por su baja velocidad de eliminación, los resultados que produce suelen ser más uniformes que con métodos manuales. En la figura 4.21-3 se ilustran ejemplos de piezas maquinadas con AFM. Costos y Cantidades económicas para producción. Debido al costo del equipo (si bien no demasiado alto) y a la necesidad de crear los dispositivos y los métodos adecuados de operación, se requiere una producción mediana o grande para justificar económicamente el proceso. Para cantidades pequeñas de producción, los costos en que se incurre una sola vez se pueden recuperar con la importante reducción en el tiempo de proceso de cada pieza. Sin embargo, para superficies muy poco accesibles, el AFM es el único método práctico para acabado y resulta ventajoso para procesar lotes pequeños e incluso prototipos.

FIG: 4.21-3 Ejemplos de piezas maquinadas con flujo de abrasivo, (a) Rebabeado y pulimento de dientes de trinquetes. (£>) Pulimento de aspas de turbinas. (Cortesía: Extrude Hone Corp.) 4-221

4-222

COMPONENTES MAQUINADOS

Materiales adecuados. Todos los materiales que se pueden maquillar con abrasivos son adecuados para AFM. Por supuesto, los materiales blandos se trabajan con más rapidez; pero la mejor aplicación del AFM es para componentes aeroespaciales y similares con superficies maquinadas complejas y en materiales duros y tenaces, difíciles: de maquinar. Recomendaciones para diseño. Se sugiere lo siguiente a los diseñadores: 1. Evítense los agujeros ciegos si se va a utilizar el AFM, pues requiere un flujo continuo del medio o compuesto abrasivo. 2. Permítase la ovalación en los agujeros después del AFM que la existente antes de utilizarlo, pues no puede redondear agujeros. 3. En los agujeros y ranuras anchos, de más de unos 12 mm (0.5 in) se sufre cierta pérdida de eficiencia del AFM por los efectos de los bordes. Para tener máxima eficiencia, la anchura de los agujeros y ranuras se debe mantener a alrededor de 0.6 mm (0.024 in). El diámetro máximo posible en un agujero, como se mencionó, es de 0.4 mm (0.016 in). 4. Si la eficiencia del AFM es importante, compruébese que las piezas no sean muy frágiles. El corte es más eficaz cuando se utilizan altas presiones y compuesto más viscoso. 5. Las esquinas que se van a redondear deben tener un radio de 0.013 a 2.0 mm (0.0005 a 0.080 in). Recomendaciones para tolerancias. Cuando la función del producto lo permite, se lograrán máximas economías en producción si se permite ±25% de tolerancia en los radios de las esquinas redondeadas y en la cantidad de mateial que se eliminará con AJM. Pero, si es necesario, el radio y la eliminación de material se pueden controlar con aproximación de ±10%. Este límite requiere cuidado y tiempo adicionales para producción, así como pruebas más extensas para establecer los lineamientos para el proceso. El mejoramiento en el acabado de superficie permite que la aspereza sea 50% menor que la de antes de aplicar el AJM. En casos extremos, la aspereza se puede reducir 90%.

Maquinado ultrasónico Proceso. El maquinado ultrasónico (USM, del inglés ultrasonic machining) actúa mediante la oscilación muy rápida de una herramienta de forma especial sumergida en una pasta aguada de abrasivo, la cual también está en contacto con la pieza de trabajo. Esta oscilación lanza las partículas de abrasivo contra la pieza y horadan una cavidad de la misma configuración que la herramienta. La frecuencia de oscilación de la herramienta es entre 19 000 y 25 000 Hz y la amplitud es de sólo 0.013 a 0.063 mm (0.0005 a 0.0025 in). El espacio entre la herramienta y la pieza es de 0.025 a 0.1 mm (0.001 a 0.004 in) y la pasta aguada abrasiva se bombea a lo largo de ese espacio. La herramienta suele ser de acero al bajo carbono o inoxidable y se monta en un generador de ultrasonido por medio de una "bocina" de metal Monel. El abrasivo es óxido de aluminio, carburo de silicio o carburo de boro. Aplicaciones y características típicas. El maquinado ultrasónico es ventajoso para trabajar agujeros irregulares en secciones delgadas o cavidades irregulares de poco fondo. Los materiales que no son adecuados (véase "Materiales adecuados" más adelante) para otros procesos se pueden maquinar con USM. Se pueden procesar piezas y materiales frágiles como los panales sin demasiada dificultad. Las aplicaciones normales son taladrar, cortar, rebabear, grabar, pulir, limpiar y maquinar para producir superficies realzadas o en bajorrelieve. Se pueden taladrar agujeros redondos y no redondos de sólo 0.08 mm (0.003 in) de tamaño. El tamaño máximo de agujeros con las máquinas de 2.4 kW disponibles es de unos 90 mm (3.5 in) de diámetro, aunque se hacen otros mayores por trepanado o con avance transversal de la herramienta. La profundidad máxima normal de los agujeros es de 25 a 50 mm (1 a 2 in). Con el USM se pueden producir agujeros múltiples en una sola pasada, cavidades con ejes geométricos curvos y roscas de tomillo. Las superficies cortadas con USM tienen bajo esfuerzo superficial, ningún efecto del calor y están libres de rebabas. Hay un sobrecorte en el diámetro o en la anchura de la cavidad maquinada que es el doble del tamaño promedio de partículas. I^a mayor parte de los agujeros,

PIEZAS PRODUCIDAS CON OTROS PROCESOS MODERNOS PARA MAQUINADO

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FIG. 4.21-4 Piezas de alúmina, vidrio y ferrita con maquinado ultrasónico (Cortesía: Branson Sonic Power Co.) en especial los profundos, tienen conicidad en la pared lateral por el corte con los lados de la herramienta. En la figura 4.21-4 se ilustran piezas típicas maquinadas con ultrasonido. Costos y cantidades económicas para producción. El USM es un proceso para corte de relativa lentitud. Los costos de herramientas y equipo son moderados; sin embargo, la elección del proceso no se basa en la cantidad para producción. El USM se selecciona cuando es el más adecuado para la pieza y el material. Cuando se pueden utilizar otros procesos convencionales, por lo general son más económicos. La velocidad de corte con USM varia mucho según los diferentes materiales y es entre 0.03 y 4 cm3 /min (0.002 a 0.25 in3/min). El desgaste de herramientas, cuya relación es 1:1 y 1:200 respecto de la eliminación de material de la pieza, es otro factor desfavorable de costo. Materiales adecuados. El USM es más ventajoso para materiales duros, frágiles y no conductores. En realidad, todos los materiales se pueden cortar con USM, pero no se recomienda para material de dureza menor de R c 45 y es más conveniente para materiales de más de Re 64. El EDM es un proceso competidor y corta con más rapidez los metales y otros materiales conductores; el USM se utiliza principalmente para materiales no metálicos que no se pueden trabajar con EDM. Los materiales que se maquinan con ultrasonidos, por orden decreciente de facilidad de maquinado, son: vidrio, concha nácar, ferrita, mica aglutinada con vidrio, germanio, carbón y grafito, cuarzo, cerámicas, rubí sintético, carburo de boro, carburo de tungsteno y acero para herramientas. En la tabla 4.21-1 aparecen las velocidades de eliminación en esos materiales. Recomendaciones para diseño. Se sugiere lo siguiente a los diseñadores: 1. Los agujeros y cavidades de poca profundidad son más adecuados para USM que los profundos; la profundidad de los agujeros no debe ser mayor de 2.5 veces el diámetro. 2. Son preferibles los agujeros pasantes o los que tienen conductos pasantes que los agujeros ciegos (Fig. 4.21-5). 3. Si el material de la pieza es frágil y se corta un agujero pasante, hay que diseñar la pieza de modo qu e se pu eda sujetar u na pla ca de a poyo con a dhesivo o con prensa s en la superficie de salida. Esto evitará las melladuras en esa superficie (Fig. 4.21-6).

4-224

COMPONENTES MAQUINADOS

TABLA 4.21-1 Velocidades típicas de eliminación de materiales con maquinado con ultrasonido. Volumen de material eliminado Velocidades de avance de la por minuto, cm3 (in3) herramienta por minuto, mm (in) Vidrio Ferrita Mica aglutinada con vidrio Germanio Grafito

3.87 (0.236) 3.21 (0.196) 3.21 (0.196) 2.18 (0.133) 2.05 (0.125)

3.8 (0.150) 3.2 (0.125) 3.2 (0.125) 2.2 (0.085) 2.0 (0.080)

Cuarzo Cerámica Carburo de boro Carburo de tungsteno Acero de herramientas

1.67 (0.102) 1.54 (0.094) 0.39 (0.024) 0.36 (0.022) 0.26 (0.016)

1.7 (0.065) 1.5 (0.060) 0.38 (0.015) 0.36 (0.014) 0.25 (0.010)

FIG. 4.21-6 Las piezas de materiales quebradizos maquinados por ultrasonido deben tener una placa de apoyo sujeta en la superficie de salida para evitar melladuras en el borde. 4. Se debe incluir conicidad en los agujeros, en especial los profundos; el promedio de conicidad es de 0.05 mm/cm (0.005 in/in), como se ilustra en la figura 4.21-7. Si es necesario, se puede reducir la conicidad con dos pasadas sucesivas de la herramienta. 5. Hay que incluir radios grandes en el fondo de los agujeros ciegos, porque el desgaste de la herramienta se concentra en sus esquinas. Por la misma razón, no hay que especificar esquinas agudas en el fondo de los agujeros (Fig. 4.21-8). Factores dimensionales y tolerancias recomendadas. El sobrecorte y el desgaste de la herramienta son los dos factores principales que influyen en la exactitud de las superficies maquinadas con ultrasonido. Otros factores son: rigidez del montaje, tamaño del abrasivo, temperatura de la pasta aguada y diseño de la herramienta de corte. No obstante, se logra muy buena exactitud.

PIEZAS PRODUCIDAS CON OTROS PROCESOS MODERNOS PARA MAQUINADO

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La tolerancia dimensional recomendada para superficies hechas con USM es de ±0.025 mm (±0.001 in). Sin embargo, se pueden mantener ±0.013 mm (±0.0005 in) si es necesario. La tolerancia para acabado de la superficie debe ser de 1 μm (40 μin), pero con corte más lento y abrasivo fino se logran superficies con una finura de 0.25 μm (10 (μin).

Maquinado hidrodinámico En el maquinado hidrodinámico, llamado a veces maquinado con chorro de agua, se utiliza un chorro estrecho de liquido a alta velocidad con agente cortante. Este chorro de Conicidad normal de cavidades hechas con USM agua con óxido de polietileno u otro aditivo FIG 4 21_7 Conicidad normal en ^ de de pohmerode cadena larga, avanza a unos cavidades hechas con USM. 600 m/s (2000 ft/s) o sea el doble de la velocidad del sonido. El choque del chorro contra la pieza elimina el material. El líquido se hace pasar a presiones de 69 a 415 MPa (10 000 a 60 000 psi) por un orificio pequeño en una boquilla de zafiro. El chorro tiene una anchura de 0.05 a 1.0 mm (0.002 a 0.040 in).

FIG. 4.21-8 No se especifiquen esquinas agudas en el fondo de cavidades hechas con USM. El proceso se aplica comercialmente a materiales no metálicos blandos, como tableros de yeso, uretano y espuma de poliestireno, la madera chapada (triplay) de 1/8 in, el hule, diversos termoplásticos y plásticos reforzados con fibra de vidrio. Otros ejemplos de piezas en cuya manufactura se emplea este método son las suelas de zapatos, balatas (forros) de frenos hechas de asbesto y piezas de muebles elaboradas con madera laminada. El proceso se utiliza con más frecuencia para recortes en material de lámina. Tiene numerosas ventajas para ese trabajo: la ranura de corte es estrecha y sólo 0.025 mm (0.001 in) más ancha que el orificio de la boquilla; la permanencia del chorro no ensancha la ranura, no hay efecto térmico en el borde cortado y se produce poco o ningún polvo. Una desventaja es que es sumamente ruidoso. El corte puede ser rápido en algunos materiales, pero la velocidad varía mucho de un material a otro. Para operaciones de recorte, se requiere un mínimo de herramientas. Por lo general, el equipo se diseña y construye para una aplicación especifica. Las tolerancias para las piezas recortadas dependen de la exactitud del mecanismo que mueve la boquilla con respecto a la pieza. Se suelen lograr tolerancias de ±0.25 mm (0.010 in).

Maquinado con haz de electrones Proceso. El maquinado con haz de electrones (EBM, del inglés electron-beam machining) es, con pequeñas diferencias, el mismo que la soldadura con haz de electrones, descrito en el capítulo 7.1. Un haz de electrones a alta velocidad, afocado en un punto pequeño de la pieza de trabajo produce un intenso calor en ese lugar y el material se funde y vaporiza. Aunque en la soldadura con haz

4-226

COMPONENTES MAQUINADOS

de electrones el objetivo es fundir el material de la pieza para que fluya y se fusione, en el EBM se trata de atravesar la pieza de trabajo. Para el EBM se utilizan corriente y velocidades de haz más altas que para la soldadura con haz de electrones. Otra diferencia es que con el EBM se necesita un vacío total; para la soldadura con haz de electrones, en algunas aplicaciones se permite dispersar el haz a presión atmosférica o con un vacío parcial. En el EBM el haz choca contra una zona de 0.32 a 0.64 mm2 (0.0005 a 0.001 in2 ) y la densidad de energía es de 15 millones de W/mm2 (10 000 millones de W/in2 ). Aplicaciones y características. El EBM es más adecuado para cortes finos en piezas de trabajo delgadas y se maquina cualquier material. Son muy factibles agujeros y ranuras de unas cuantas milésimas de pulgada de anchura y se hacen cortes contorneados muy precisos. Este proceso es mejor para cortes demasiado finos para hacerlos con EDM o ECM. El EBM se utiliza para taladrar agujeros de dosificación como los que se emplean en el equipo para inyección de combustible diesel, en orificios para gas en aparatos de presión diferencial, dados para trefilar alambre, hiladoras, agujeros para válvulas de manguito, para trazar en películas delgadas y sacar machuelos rotos de pequeño diámetro. Se pueden hacer agujeros de sólo 0.013 mm (0.0005 in) de diámetro en material de 0.025 mm (0.001 in) de espesor, asi como ranuras de 0.025 mm (0.001 ¡n). Las relaciones longitud: diámetro de 10 a 20 para agujeros son normales y, en algunos casos, los agujeros pueden tener una profundidad de 200 diámetros. Sin embargo, la profundidad máxima práctica del corte es de 6.4 mm (0.25 in). Si el material de la pieza tiene más de 0.13 mm (0.005 in) de espesor, se debe esperar una conicidad de 1 a 2 o en la pared del corte pasante. Se suelen formar cráteres en la superficie de la pieza contigua a la entrada al agujero. También pueden ocurrir salpicaduras en esa superficie, pero se eliminan con facilidad. Los bordes de los agujeros y ranuras suelen tener superficies disparejas. También hay una zona alterada por el calor de unos 0.25 mm (0.010 in) de profundidad junto al corte. Por lo demás, la pieza no se deforma porque no hay presión ni contacto entre la pieza de algún cortador. En la figura 4.21-9 se ilustran las características de un agujero hecho con EBM. Costos y cantidades para producción. La velocidad de corte es alta en materiales delgados. Por ejemplo, la producción de agujeros de 0.1 mm (0.004 in) de diámetro en material de 0.5 mm (0.020 in) de espesor, requiere menos de 1/10 s. Se pueden maquinar ranuras de 0.05 mm (0.002 in) de anchura en material de 0.25 mm (0.010 in) de espesor a razón de 65 a 150 mm/min (2.5 a 6 in/min). Pero el volumen de material eliminado con EBM es bajo en comparación con los métodos convencionales y, en promedio, es de alrededor de 0.8 a 2 mm3 /min (0.00005 a 0.00012 in3 /min). El tiempo requerido para evacuar la cámara de vacío para cada carga de la máquina es un factor que aumenta el tiempo de producción. Otros aspectos desfavorables son el alto costo del equipo y la necesidad de contar con operarios especializados. Materiales adecuados. Como se mencionó, se puede maquinar cualquier material con EBM. Los metales, cerámicas, plásticos y compuestos se maquinan con facilidad, aunque la velocidad de corte es menor en materiales con altas temperaturas de fusión y vaporización. Se han

FIG. 4.21-9 Características de un agujero maquinado con haz de electrones.

PIEZAS PRODUCIDAS CON OTROS PROCESOS MODERNOS PARA MAQUINADO

4-227

maquinado con éxito acero endurecido, acero inoxidable, molibdeno, níquel, cobalto, titanio, tungsteno y sus aleaciones, cuarzo, cerámicas y zafiro sintético. Recomendaciones para diseño. Se sugiere lo siguiente a los diseñadores: 1. Las piezas de trabajo que se van a maquinar con EBM deben ser lo más pequeñas que se pueda, para colocar un gran número de ellas en la cámara de vacío. Incluso es aconsejable ensamblar varias piezas en vez de tener una pieza voluminosa si sólo una parte de ella necesita el EBM. 2. El radio mínimo normal para esquinas internas es de 0.25 mm (0.010 in). No se deben especificar esquinas más agudas. 3. Para tener mejores resultados con cortes pasantes, la pieza debe ser lo más delgada posible. El máximo práctico es de 6.3 mm (0.25 in), pero las piezas más delgadas se maquinan con más rapidez y con menos conicidad en las paredes. 4. Se deben tener en cuenta los efectos del EBM en la superficie maquinada que pueden ser indeseables en algunos casos. Entonces, se debe dejar más material para operaciones secundarias. En la figura 4.21-9 se ilustran estos efectos de superficie. Tolerancias recomendadas. Se debe dejar una tolerancia de ±10% en los diámetros de los agujeros y anchura de las ranuras. El acabado normal de la superficie debe ser de 2.5 um (100 μin), aunque en condiciones óptimas se pueden lograr 0.5 μm (20 μin).

Maquinado con rayo láser El maquinado con rayo láser, igual que el EBM, sirve para soldar y maquinar. El proceso básico se describe en el capítulo 7.1 y se ilustra en la figura 7.1-4. Cuando este proceso se emplea para maquinado, trabaja con valores de energía más altos que para soldar. El estrecho haz de luz coherente de intensidad sumamente alta, afocado con precisión funde y vaporiza el material en el lugar en que choca con la pieza de trabajo. El haz puede ser de pulsos intermitentes o continuo. Un punto típico afocado en la pieza de trabajo tiene una anchura de 0.025 a 0.050 mm (0.001 a 0.002 in). La densidad de la energía en ese punto es muy alta, millones de watts por centímetro cuadrado. Cuando este nivel de energía choca con la pieza de trabajo, el material que está en el punto de incidencia se vaporiza o se funde y se aleja y se barre alejándolo del haz. En algunos casos, se dirige contra la pieza de trabajo, con el haz de láser, un chorro de gas coaxial. El oxígeno es el gas más común para corte rápido y se emplean gases inertes para mejorar el acabado en los bordes de la superficie. Aplicaciones y características típicas. El empleo más común del maquinado con rayo láser (LBM, del inglés laser-beam machining) es para maquinado de alta precisión o para micromaquinado de piezas delgadas difíciles de maquinar con métodos convencionales. Se tienen mejores resultados con agujeros de menos de 3 mm (1/8 in) y material de menos de 5 mm (0.200 in) de espesor. Una aplicación muy ventajosa es para taladrar agujeros muy pequeños con elevada relación entre profundidad y diámetro. Otras son el tajado, recortado, hacer hendiduras, corte de perfiles, perforación y calentamiento selectivo para tratamiento térmico. Los ejemplos comunes de LBM son taladrar agujeros de 0.1 mm (0.004 in) en lentes de contacto de vidrio, taladrar agujeros de 0.13 mm (0.005 in) de diámetro en las boquillas de plástico para recipientes de aerosol, recortar resistores de película gruesa y delgada a valores precisos, trazar en subestratos de silicio y cerámica para microcircuitos electrónicos y hacer cortes contorneados en secciones de tela para prendas de vestir. En la figura 4.21-10 se ilustran ejemplos adicionales. El proceso LBM tiene la ventaja de que se puede emplear para maquinar en lugares inaccesibles. Puede actuar a través de materiales transparentes y con diversos tipos de atmósferas. La herramienta no hace contacto con la pieza. Esto y el hecho de que el calentamiento está muy localizado, permite maquinar piezas quebradizas, sensibles al choque térmico y frágiles. El diámetro mínimo de agujeros es de alrededor de 0.005 mm (0.0002 in), pero son más comunes los de 0.13 mm (0.005 in). Se logran relaciones longitud:diámetro hasta de 50:1 en agujeros de 0.13 mm (0.005 in) de diámetro. También se obtienen agujeros con un ángulo en la superficie de apenas 15°. Se utilizan ranuras para hendiduras y cortes de perfil de 0.1 mm (0.004 in) de anchura, pero un mejor valor normal para casi todas las aplicaciones es

4-228

COMPONENTES MAQUINADOS

FIG: 4.21-10 (a) Agujeros para enfriamiento en aspas de motor de turbina, (b) Jaula de acero de alta resistencia con ranuras para embrague de un solo sentido. (Cortesía Apollo, Lasers, Inc.)

de 0.4 mtn (0.015 in). En la mayor parte de los materiales, el espesor máximo práctico para cortes pasantes es de 5 mm (0.200 in), aunque en ciertas circunstancias es factible uno de 13 mm (1/2 in). Los agujeros de más de 0.25 mm (0.010 in) hechos con LBM tienen una conicidad notoria; también hay desigualdad considerable en el diámetro de los agujeros. La conicidad e irregularidades se hacen más pronunciadas conforme aumenta la profundidad del corte. Los agujeros, por lo general, no tienen redondez absoluta. Hay a tendencia a que se formen cráteres en la superficie de entrada del corte y una zona alterada por calor de alrededor de 0.13 (0.005 in) rodea la superficie maquinada. Costos y cantidades económicas para producción. El proceso de maquinado con rayo láser es muy costoso; el equipo tiene alto costo inicial y de operación, La velocidad de corte es baja, de sólo la décima parte del EBM, y mucho más baja que la de los métodos convencionales para maquinado. La eficiencia de utilización de la energía en casi todos los láser es de menos del 5%. La velocidad de corte varía según el material, pero el promedio es de 0.006 cm3/min (0.0004 in3 /min). No obstante, los agujeros individuales pequeños en material delgado se hacen en centésimas de segundo. El corte es más rápido cuando el láser está combinado con gas. La ausencia de fuerzas cortantes hace que las herramientas sean de poco costo. Aunque el LBM

PIEZAS PRODUCIDAS CON OTROS PROCESOS MODERNOS PARA MAQUINADO

4-229

TABLA 4.21-2 Velocidades típicas de corte de metales con láser de CO2* Velocidad,

Metal

Calibre, Potencia, in kW 3.8

in/ min

Aluminio de aleación

0.24

1.2

Aluminio

0.50

10

Latón

0.005

0.28

156

Inconel 718 Aleación Mn-Ni Molibdeno Malla de Monel Níquel Niobio Nimonic 90

0.50 0.003 0.002 2.00 0.005 0126 0.39

11 0.5 0.5 0.5 0.28 °-5 0.5

Nimonic 90 Nimonic 90 Nimonic 75 Nimonic 75 Nimonic 75

0.059 0.059 0.002 0.047 0.079

Acero galvanizado Acero galvanizado Acero galvanizado Acero alta velocidad Acero alta velocidad Acero alta velocidad Acero alta velocidad Acero alta velocidad

Velocidad,

Calibre

Potencia, kW

in/ mi n

0.280

0.5

3

0.024

0.85

23

Metal

0.189

0.5

3

50 67 16 4 156 8 96

Acero alta velocidad Acero baja aleación Acero martensítico Acero dulce Acero dulce Acero dulce Acero dulce Acero dulce Acero dulce Acero inoxidable

0.039 0051 0.063 0.118 0.126 0.252 0.004

0.4 0.5 0.5 0.35 0.5 0.5 0.5

177 142 98 60 40 20 197

0.25 0.85 0.5 0.5 0.5

23 90 98 51 31

Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable

0.012 0.039 0.059 0.063 0.110

0.5 0.5 0.4 0.5 0.4

146 65 18 75 47

0.039 0.051 0.118 0093

0.4 0.4 0.4 0.5

177 142 60 35

0.118 0.126 0.252 0.063

0.4 0.5 0.5 0.5

45 35 20 31

0134

0.5

24

Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero herramientas (H25) Titanio

0.252

0.5

142

0.165

0.5

16

Titanio

0.80

11

100

0.205

0.5

27

0.071

0.5

1.8

0.220

0.5

23

Carburo de tungsteno Carburo de tungsteno

0.189

0.5

1.8

40

*Tomada de American Machinist, julio 1, 1975. Las velocidades señaladas no son por necesidad las máximas para cualquier espesor dado, porque la anchura de la ranura, las condiciones del borde o los efectos térmicos pueden ser el factor dominante.

es más lento que el EBM, puede ser más económico porque la inversión de capital es menor y, como no se necesita cámara de vacío, se trabaja con más rapidez. En la tabla 4.21-2 se presentan velocidades típicas para corte de metales con láser de CO2 que funciona con mayor intensidad de corriente y corta más rápido que el láser de estado sólido. Materiales adecuados. Todos los materiales se pueden maquinar con láser y se prefieren los que son difíciles o imposibles de cortar con métodos convencionales, comno cerámicas, vidrio, carburos y aleaciones aeroespaciales. El cobre, aluminio, oro y plata no son tan adecuados por su alta conductividad térmica. El titanio es el material más común para LBM; se han trabajado con éxito otros materiales como plásticos, hule, berilio, circonio, acero inoxidable, tungsteno, acero al carbono, hierro fundido, latón, molidbeno, telas, cartón y cartulina, madera, compuestos epóxicos reforzados con boro y grafito y diversos materiales laminados. Recomendaciones para diseño. Dado que el LBM es un proceso en que se utiliza energía en forma de luz, se logran mejores resultados cuando la superficie de la pieza de trabajo absorbe la energía del rayo en vez de reflejarla. Las superficies deben quedar mates y despulidas después de trabajarlas con LBM.

4-230

COMPONENTES MAQUINADOS

Otras recomendaciones de diseño son muy semejantes a las de EBM. Las piezas deben ser delgadas en las zonas de corte pasante con LBM porque el maquinado es más rápido y la conicidad e irregularidades son mínimas con material delgado. Las tolerancias de los radios en las esquinas deben ser de 0.25 mm (0.010 in) o mayores. También hay que tener en cuenta una conicidad promedio de 3° por lado y una zona alterada por calor de alrededor de 0.13 mm (0.005 in) de profundidad, para la formación de cráteres en la superficie de entrada y salpicaduras y otros residuos en las superficies maquinadas. Tolerancias recomendadas. Las tolerancias para diámetro de agujeros y anchura de ranuras deben ser de ±0.025 mm (±0.001 in). Cuando se utiliza un gas reactivo, las tolerancias se deben aumentar ±0.1 mm (±0.004 in).

CAPÍTULO 4.22

Engranes J. Franklin Jones Springfield, Vermont

Definición Aplicaciones Tipos de engranes Elementos de los engranes Procesos de manufactura de engranes y sus aplicaciones Maquinado Métodos de maquinado para acabado de engranes Métodos de fundición Métodos para formación de engranes Moldeo de engranes de plásticos Materiales adecuados para los engranes Engranes maquinados Engranes fundidos a presión Entrañes formados Secciones de engranes extruidos Engranes moldeados Engranes troquelados Engranes sinterizados Recomendaciones para diseño Engranes maquinados Engranes formados, fundidos y moldeados Factores dimensionales Exactitud contra costo de los engranes Recomendaciones para tolerancias 4-231

4-232 4-232 4-232 4-235 4-236 4-236 4-240 4-242 4-244 4-245 4-246 4-246 4-246 4-246 4-249 4-249 4-249 4-249 4-249 4-252 4-254 4-255 4-257 4-259

4-232

COMPONENTES MAQUINADOS

Definición Los engranes son elementos de máquinas que transmiten el movimiento angular y la potencia mediante el acoplamiento o endentado de los dientes que están en su circunferencia. Constituyen un método económico para esa transmisión, en particular si los requerimientos de potencia o de exactitud son grandes.

Aplicaciones Se utilizan para las siguientes clases de transmisión de potencia o movimiento: 1) cambio en la velocidad de rotación; 2) multiplicación o división del momento o magnitud de rotación; 3) un cambio en la dirección de rotación; 4) conversión de movimiento rotatorio a lineal o viceversa (cremalleras); 5) cambio en la orientación angular del movimiento rotatorio (engranes cónicos), y 6) desplazamiento o cambio en la posición del movimiento rotatorio. Los engranes para transmisión de potencia suelen ser de paso grueso y tamaño grande. Hay engranes de 7 m (24 ft) para centrales eléctricas y que pueden transmitir decenas de miles de caballos de fuerza. En contraste, están los engranes en miniatura, de paso fino, para instrumentos y relojes de pulsera, cuyo diámetro de paso es de 2 mm (0.080 in). Por lo general, estos engranes pequeños son sólo para transmitir movimiento y la potencia que transmiten es insignificante. Los engranes de paso diametral 20 (véase "Elementos de engranes" más adelante) o más grueso se clasifican como de paso grueso. Los engranes de paso fino tienen paso diametral mayor de 20. El paso diametral más fino máximo es de 120. Sin embargo, se pueden fabricar engranes de dientes evolventes con paso fino de 200 y engranes con dientes cicloidales con paso diametral hasta de 350. Otras aplicaciones de los engranes son transmisiones, diferenciales y mecanismos de dirección en vehículos, artefactos domésticos pequeños como batidoras de mano, taladros y otras herramientas motorizadas; máquinas herramientas, motores de aviones, máquinas de coser, juguetes, relojes de pared, aparatos militares para control de luego, aparatos para navegación inercial, transmisiones de transportadores, malacates, contrarnecanismos, elevadores, equipo agrícola e instrumentos de diversas clases. En las figuras 4.22-1 y 4.22-2 se ilustran diversos engranes;.

Tipos de engranes En la figura 4.22-3 se ilustran diversos tipos de engranes, que son: Engranes de dientes rectos. Son los más comunes y económicos de manufacturar. Su forma es cilíndrica y los dientes son paralelos al eje de rotación. Los ejes de los engranes acoplados también son paralelos. Engranes helicoidales. Tienen una forma cilíndrica, pero los; dientes están en ángulo al eje. Esto proporciona un funcionamiento más suave y silencioso, pero hace algo más difícil la manufactura. Los engranes helicoidales pueden funcionar en ejes no paralelos; si los ejes están en ángulo recto, los engranes se llaman helicoidales cruzados. Engranes helicoidales dobles. Pueden tener ángulos de hélice derechos e izquierdos lado con lado en la cara del engrane. Por tanto, se neutraliza el empuje axial de los dientes helicoidales. Engranes internos. Tienen los dientes en la superficie interna de una cavidad cilíndrica. Engranes de cremallera. Tienen los dientes en una superficie plana en vez de curva o cilindrica. Producen movimiento rectilíneo en vez de rotatorio. Engranes cónicos rectos. Tienen los dientes en una superficie cónica y funcionan en ejes que se cruzan, por lo general, en ángulo recto. Como los dientes son cónicos, es más difícil producir estos engranes (cuando menos por maquinado) que los dientes rectos, helicoidales y de cremallera. Engranes de ingle te. Engranes cónicos acoplados con igual número de dientes y con sus ejes en ángulo recto. Engranes cónicos en espiral. Tienen dientes curvos y oblicuos con cualquier plano que pase por su eje. Tienen las mismas ventajas de ser silenciosos y de funcionamiento suave como los engranes cónicos rectos. Los engranes cónicos en espiral son más difíciles de fabricar que los rectos. El ahusamiento negativo en la parte trasera de los dientes complica los procesos de moldeo y de formado.

F1G. 4.22-1 Esta corona con dientes helicoidales para

una trituración de minerales tiene 24 ft de diámetro y más de 3 ft de anchura; pesa 70 toneladas. (Cortesía: The Falk Corporation, subsidiaria de Sundstand Corporation.)

F1G. 4.22-2 Serie de engranes miniatura de zinc fundidos a presión. Se emplean en medidores de tiempo, velocímetros de vehículos, carretes de cañas de pescar, etc. (Cortesía: Fisher Gauge Limited.) 4-233

FIG. 4.22-3 Clases de engranes, (a) Dientes rectos, (b) Engranes helicoidales paralelos, (c) Engranes helicoidales cruzados, (d) Engranes cónicos rectos, (e) Engranes cónicos Zerol. (f) Engranes cónicos en espiral, (g) Engranes helicoidales dobles. (h) Engranes hipoidales. (i) Engrane y sinfín. (j) Engranes elípticos, (k) Engranes intermitentes. (l) Engranes internos, (m) Cremallera y piñón. De la (a) hasta (k) de The New American Machinist's Handbook, McGraw-Hill, Nueva York 1955; y (l) y (m) de Maintenance Engineers' Handbook.

4-234

ENGRANES

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Engranes hipoidales. Son cónicos en espiral con ejes descentrados que no se cruzan. Engranes cónicos ZeroL Tienen cero ángulo de espiral. Los dientes son curvos y tienen la misma dirección general que los dientes rectos. Engranes cónicos oblicuos. Son similares a los engranes cónicos en espiral en que los dientes son oblicuos, pero son más bien rectos que curvados. Engranes de sinfín. Son helicoidales con ejes cruzados en los que el ángulo de hélice de uno de los engranes (el sinfín) tiene un fuerte ángulo de hélice y es semejante a un tornillo. El sinfín puede impulsar al engrane correlativo pero no a la inversa. Los ejes de los dos engranes, por lo general, están en ángulos rectos. Sinfín albardillado. Tiene menor diámetro en el centro que en los extremos (como un reloj de arena) y se adapta mejor a la forma del engrane cilíndrico acoplado. Piñón. Engrane con un número pequeño de dientes. Cuando dos engranes trabajan juntos, el que tiene menos dientes se llama piñón. Corona. Engrane cónico en forma de disco. La superficie de paso es un plano perpendicular al eje. Engranes de dientes laterales. Piñón combinado con un engrane acoplado en forma de disco. Los ejes suelen estar en ángulos rectos y pueden o no cruzarse.

Elementos de los engranes En la figura 4.22-4 se ilustran los elementos comunes y dimensiones normales (estándar) de los engranes; algunos de sus elementos son: El paso diametral es una medida del grueso de los dientes. Es igual a n dividido entre el paso circular en pulgadas. En cualquier engrane, es la relación del número de dientes a su diámetro de paso en pulgadas. El paso circular (Fig. 4.22-4) es la distancia desde un diente a otro a lo largo del círculo de paso. El diámetro de paso es el diámetro del círculo de paso, o sea el círculo imaginario que gira sin deslizarse con el círculo de paso del engrane cacoplado. El módulo es el recíproco del paso diametral. El ángulo de presión de un engrane es el que hay entre el perfil de los dientes y una línea perpendicular al círculo de paso, por lo general en el punto en que se cruzan el círculo de paso y el perfil de los dientes.

FIG. 4.22-4 Elementos y dimensiones clave de los engranes. (De G. W. Michalec, Precisión Gearing, Wiley, Nueva York, 1966.)

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COMPONENTES MAQUINADOS

El perfil más común y preferido en los dientes de engranes con ejes paralelos es el de dientes en evolvente, con el cual se tiene funcionamiento suave en una gama de distancias entre centros. Facilita emplear herramientas estándares porque se requieren menos cortadores para una serie de tamaños. El juego entre dientes es la cantidad en la cual el hueco en el punto de contacto excede al espesor de los dientes. El ángulo de hélice es el que hay entre el flanco del diente y una línea paralela al eje del engrane. La relación de trasmisión es la relación entre el número de dientes en el engrane y el número de dientes en el piñón.

Procesos de manufactura de engranes y sus aplicaciones Maquinado. Los procesos de maquinado para la manufactura de engranes son fresado, fresado continuo, limado, brochado, cizallado y algunos procesos especializados como métodos primarios para maquinado. El cepillado, rectificado, asentado, lapeado y bruñido son operaciones de acabado para mejorar la exactitud y el acabado de superficie. Fresado: se avanza una fresa con dientes cortados a la forma del hueco del diente del engrane, a través de la preforma ("blanco") del engrane. Después de cortar cada hueco, la fresa vuelve a su punto de partida, se mueve la preforma alineándola a otra indicación y se repite el ciclo, con lo cual los huecos entre dientes se cortan uno cada vez. La preforma está fija durante el ciclo de corte. La alineación de la preforma entre ciclos de corte es manual o automática según el tipo de fresadora. El fresado se utiliza para desbastar y acabar, aunque esto último es menos común por las limitaciones en la exactitud. Por las mismas razones y porque hay métodos más rápidos, el fresado suele ser sólo para fabricar engranes para repuesto o producción en pequeña cantidad. Las fresas cuestan menos que las fresas para trabajo continuo y otros tipos de cortadores. Los engranes de dientes rectos, helicoidales y cónicos rectos se fresan. Los engranes cónicos requieren dos pasadas debido a la conicidad de sus dientes. Los engranes cónicos espirales no se pueden fresar. Los engranes internos, en algunos casos, se pueden producir con fresadora. Fresado continuo. Es un proceso de generación. Un husillo que lleva la preforma del engrane se acopla con un segundo husillo en que está montada una fresa rotatoria, más o menos en ángulo recto a la preforma. La fresa es de aspecto similar a un sinfín, pero tiene acanaladuras para formar los filos. La fresa, si es de paso sencillo, da una sola revolución por cada diente de la preforma y cuando las dos giran en forma continua, se avanza la fresa paralela con el flanco del diente del engrane. Los dientes de la fresa son helicoidales y cuando se va a hacer un engrane de dientes rectos, se inclina el eje de la fresa desde la perpendicular según el ángulo de hélice déla fresa (Fig. 4.22-5). En la figura 4.22-6 se ilustra la acción generadora de la fresa al cortar los dientes. El fresado continuo se utiliza para producir engranes de dientes rectos, helicoidales y sinfín, pero no los cónicos o los internos. El volumen de producción es alto. Aunque el fresado continuo es muy económico para volúmenes mediano y alto de producción, su exactitud, adaptabilidad y facilidad de preparación también lo hacen adecuado para baja producción. Aunque las fresas para trabajo continuo son más costosas que las comunes y las herramientas formadoras, son más baratas que los cortadores para cizallado y las brochas. Limado. También es un método para generación. Se monta una herramienta de corte similar a un engrane en un husillo paralelo con el eje del engrane que se va a cortar. La preforma y la herramienta están conectadas entre sí y cuando giran con lentitud, la herramienta tiene movimiento alternativo en sentido axial y genera los dientes del engrane en cortes sucesivos. La herramienta tiene una ligera conicidad para tener un ángulo de despejo en los lados de sus dientes. El corte ocurre en la carrera descendente. En la carrera ascendente (retorno) se separan la herramienta y la preforma unos 0.5 mm (0.020 in) para que la herramienta no roce la preforma. Cuando se van a cortar engranes helicoidales se utiliza en el husillo una guía que produce movimiento helicoidal en el mismo. Se requiere una guía separada para cada ángulo de hélice y la magnitud de la hélice es limitada. El limado se emplea para producir engranes de dientes rectos y helicoidales, internos y extemos. Los engranes cónicos no se producen con este método, pero sí se pueden hacer engranes helicoidales dobles y de dientes laterales. El método también es adecuado para ma-

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FIG. 4.22-5 Fresado continuo de engranes. La rotación de la fresa y el engrane es sincronizada y continua. Cuando se corta un engrane de dientes rectos, el eje de la fresa se pone en ángulo al plano de la preforma. Este ángulo es el mismo que el ángulo de hélice de la fresa. quinar engranes que están cerca de una superficie obstructora o que son parte de un tren de engranes (engranaje), porque el juego requerido para el recorrido de la herramienta es mucho menor que para el fresado normal o continuo. Dado que las herramientas son de bajo costo relativo, cabe emplear el limado para bajos volúmenes de producción. Además.es factible aplicarlo a ciertos engranes que no se pueden maquinar con otros métodos y, como puede ser automático, es viable emplearlo ante volúmenes moderado y alto de producción, aunque no es tan rápido como el fresado continuo. Brochado. Como se describe en el capítulo 4.9, este método es útil para engranes, en especial para corridas largas de producción. Se pueden brochar engranes de dientes rectos y helicoidales, internos y externos, FIG. 4.22-6 Acción generadora de la fresa de aunque la aplicación más común son los incorte continuo al cortar dientes. (De D. W. temos. Los engranes de dientes extemos, en Dudley, Gear Handbook, McGraw-Hill, Nueva especial si son grandes, requieren herraYork, 1962.) mientas voluminosas y costosas. Con el brochado se logran acabados finos y gran exactitud. Se suele maquinar todo el engrane en una pasada, aunque, a veces, se emplean desbastado y acabado por separado. En

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engranes helicoidales, éstos giran conforme avanza la brocha. Se tira o se empuja del engrane o de la brocha. Las brochas son costosas y suele requerirse un gran volumen de producción para amortizarlas. Su corto ciclo de trabajo las hace más atractivas para producción en serie. Cizallado. Este proceso se podría considerar como una "cruza" entre el brochado y el limado. Los cortadores de forma, igual que la brocha, eliminan material de todos los huecos entre dientes en forma simultánea. Al igual que con la limadora, el cabezal de corte tiene movimiento alternativo. Todos los cortadores tienen un ligero avance con cada carrera del cabezal cortador, hasta que se maquina toda la forma del engrane. El cizallado se aplica en engranes rectos con diámetros hasta de 500 mm (20 in) y anchura de flanco hasta de 150 mm (6 in). Aunque los engranes helicoidales no se puden fabricar con este proceso, se producen engranes internos de dientes rectos. El proceso es conveniente para altas producciones. Los ciclos de trabajo son cortos, frecuentemente de menos de 1 min para engranes menores de 150 mm (6 in) de diámetro, pero el costo de las herramientas es alto. Procesos para maquinado de engranes cónicos. Estos procesos son complejos con muchas variantes que dependen del tamaño, paso, relación de trasmisión, ángulo de conicidad y ángulo de espiral (si lo hay). Los engranes se maquinan con procesos en los cuales se emplean cortadores de movimientos alternativo y circulares. Aunque se emplean procesos con y sin generación, los de generación son más importantes, pues los procesos sin generación están limitados en su capacidad a sólo uno de los engranes cónicos correlativos. Métodos para maquinado de engranes cónicos rectos. Incluyen cepillado recto, cepillado con dos herramientas, fresado, ya descrito, maquinado con cortadoras rotatorias dobles (Coniflex) y el Revacycle. Métodos para engranes cónicos espirales. Incluyen cepillado y fresado frontal. Las fresadoras para fresado frontal incluyen los tipos para generación y cortadoras de forma, las que cortan un diente cada vez y las que cortan en dos lados al mismo tiempo. Cepillado de engranes cónicos rectos. Es una variante del cepillado adaptada para estos engranes. Con este método, la preforma se mantiene estacionaria, excepto para avanzarla y alinearla, y la herramienta de corte tiene movimiento alternativo a través de la preforma. El proceso es similar al cepillado de engranes, pero difiere en que las carreras de corte no son paralelas sino radiales desde un punto de pivoteo, para producir la conicidad necesaria en los dientes. Se utilizan plantillas con el fin de controlar la ubicación de la corredora para la herramienta y ésta puede seguir y cortar el perfil de los dientes. El cepillado de engranes cónicos rectos se utiliza principalmente para engranes grandes de paso grueso. Es económico en la elaboración de engranes para repuesto o bajo volumen de producción. Aunque no es un proceso muy rápido, el costo de las herramientas de corte es bajo. Cepillos del tipo de dos herramientas. Estas máquinas tienen herramientas y correderas separadas para cada lado de los dientes de los engranes. Las correderas están montadas en un carro con movimiento rotatorio en relación con la preforma cuando ésta gira y las herramientas tienen movimiento alternativo a través de ella. Este movimiento rotatorio permite que las superficies de las herramientas simulen los dientes de una corona imaginaria y generen el perfil requerido de los dientes. El método con cepillos de dos herramientas se emplea para engranes cónicos rectos de paso fino y grueso. En engranes con paso diametral de 24 o más, se utiliza un cortador para desbastar y otro para acabar. En engranes con paso diametral mayor de 24, se requieren operaciones separadas de desbastado y acabado. El costo de las herramientas es bajo, pero los ciclos de trabajo son largos; por ello este método es preferible para baja producción. Cortadoras rotatorias dobles. En este método se emplean cortadores o fresas circulares que tienen dientes interconectados y cortan ambos lados del hueco entre dientes del engrane en forma simultánea. Los husillos de las fresas se inclinan para producir la conicidad y el ángulo de presión de los dientes requeridos. Durante el corte, los husillos cambian de posición para generar el perfil del diente. Después de cortar cada diente, se avanza la preforma y los husillos giran de retorno a su posición inicial. Este proceso se aplica a engranes cónicos con medidas menores de 215 mm (8-1/2 in) de diámetro de paso, de 32 mm (1-3/8 in) de anchura de flanco o de paso diametral 3 o más fino. El método con cortadora doble es más rápido que el de cepillado con dos herramientas, pero no tanto como el Revacycle que se describe a continuación. Las herramientas y equipo son más costosas que para el cepillado con dos herramientas y es más ventajoso para producción mediana.

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Proceso Revacycle. Es un proceso rápido de alta producción para maquinar engranes cónicos rectos. Un cortador circular bastante grande atraviesa la cara de la preforma, que está fija durante cada corte. El cortador es una brocha circular en la cual cada diente sucesivo es más grande que el anterior en la circunferencia del cortador, y éste sólo da una revolución por hueco entre dientes. El tamaño creciente de los dientes y el movimiento a través de la cara de la preforma producen la conicidad requerida. Un despejo en los dientes permite tener tiempo y espacio para alinear la preforma entre los cortes. Se pueden producir piñones y engranes de calidad comercial en una sola pasada. Las cortadoras y otras herramientas Revacycle son más costosas que las requeridas para otros métodos de corte de engranes de dientes cómeos. El tiempo de preparación (5 a 6 h) también es importante. Sin embargo, el corto ciclo de tra bajo, qu e suele ser de menos de 3 s por diente y, a veces, de 2 s o menos, permite reducir los costos con producción en gran volumen. Corte con generador y cepillado de engranes espirales. Este proceso es una ampliación del cepillado de engranes cónicos rectos. La generación del perfil del diente se suele efectuar con un solo cortador. Para lograr la trayectoria en espiral del cortador en relación con la preforma, ésta se hace girar una cantidad fija, controlada durante la carrera de corte como esquematiza la figura 4.22-7. La rotación sincronizada de la preforma es continua y cada carrera del cortador quita material de un hueco sucesivo entre dientes. La forma del diente se genera durante rotaciones sucesivas de la preforma. El carro para la preforma tiene también movimiento rotatorio y oscilatorio para la generación del diente. Se maquinan todos los dientes de un lado antes de poner la máquina a cortar los dientes del otro lado. A veces, se utiliza un ciclo de desbastado seguido por uno de acabado. El proceso es exacto y se utiliza para engranes cónicos espirales, Zerol e hipoidales que son muy grandes para las fresadoras frene a las disponibles. Se pueden producir engranes hasta de 2.5 mm (100 in) de diámetro de paso, 30 mm (1.2 in) de anchura de flanco y de

FIG. 4.22-7 Corte con generador y cepillado de engranes espirales. (De D. W. Dudley, Gear Handbook, McGraw-Hill, Nueva York, 1962.)

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un paso diametral. Los tiempos de corte son largos, pero como los costos de las herramientas son bajos, el proceso es económico para la pequeña producción de engranes grandes. Métodos de fresado frontal. Incluyen corte de forma y generación. El fresado frontal con corte de forma es más rápido y adecuado para el engrane de un juego de engrane cónico espiral, si la relación entre el piñón y el engrane o corona es de 3:1 o más; no es adecuado para hacer el piñón. En la figura 4.22-8 se ilustra la acción de un cortador de forma comparado con uno de generación. El maquinad sin generación (de forma) es más adecuado para alta producción, como los diferenciales de los vehículos. Los engranes cónicos en espiral, hipoidales y Zerol cónicos se producen con estos métodos. Hay dos procesos patentados sin generación bien conocidos para estos engranes, que son el Fórmate y el Hexiform. El primero es similar al Revacycle porque la fresa o cortador es una brocha circular. Sin embargo, al colocar los dientes en la cara del cortador y con la orientación adecuada del husillo de la fresadora, se produce una configuración curva o espiral de los dientes del engrane. Con el método fresado frontal por generación el husillo de la fresadora se monta de modo que tenga movimiento de rotación que sincroniza los husillos de la fresa y de la preforma. Como se ilustra en la figura 4.22-8, el FIG. 4.22-8 La acción de un cortador de forma corte ocurre en un solo punto; pero los moen contraste con un cortador generador. (De D vimientos de la fresa en relación con la preW. Du d ley Gea r Ha ndbook , Mc Gra w-Hill forma generan la forma del diente con corte s Nueva York, 1962.) de dientes sucesivos En algunos casos la fresa produce sólo un la do de los dientes; en otros, se producen ambos lados en la misma operación. En casi todos los casos se utilizan operaciones separadas de desbastado y acabado. Estos métodos de generación son adecuados para casi todos los; engranes cónicos espirales, aunque se utilizan más engranes de tamaño pequeño y mediano y para producción en cantidades pequeñas y moderadas. Con las máquinas existentes, se pueden maquinar engranes con diámetro de paso de hasta 850 mm (33 in). Los engranes cónicos espirales muy grandes se hacen con máquinas del tipo de cepillo de mesa. Como se mencionó, los piñones cónicos espirales siempre se fabrican con métodos de fresado frontal por generación. Juegos de engrane y sinfin. Los sinfines se pueden fabricar en torno, con fresado continuo o por fresado de roscas; el torneado y fresado son los mismos que para trabajar roscas de tornillos (Capítulo 4.4.) excepto que, en algunos casos, el diente es convexo (helicoidal) en vez de tener lados rectos. Los engranes de sinfín del tipo envolvente se suelen procesar por fresado continuo aunque a veces se emplean fresadoras convencionales para pequeñas cantidades. Los engranes de sinfín no envolventes se manufacturan con los métodos utilizados para otros engranes helicoidales. Métodos de maquinado para acabado de engranes. Incluyen cepillado, rectificado, asentado (pulido con piedras), asentado ("lapeado") y bruñido. La finalidad es la misma o semejante: lograr superficies de dientes más exactas y lisas, para tener un funcionamiento más suave, silencioso y uniforme. Eliminan variaciones inherentes del maquinado inicial, deformaciones por desesforzado o tratamiento térmico así como melladuras, rebabas y otras irregularidades en la superficie. Estas operaciones de acabado no son esenciales para los engranes; en casi todos los casos no son necesarias. Sin embargo, suelen ser muy comunes para engranajes de precisión y reducción de ruido. Cepillado. Es la operación más frecuente para acabado de engranes e incluye el empleo de un cortador muy preciso y con la configuración del engrane, que puede acoplar con los engranes que se van a cepillar. Los dientes del cortador se configuran con precisión a la forma final de los dientes del engrane; pero cada diente del cortador tiene escotaduras en varios lugares a lo ancho de ella para producir filos múltiples. Los dientes del cortador son helicoidales, aunque se vaya a utilizar

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FIG. 4.22-9 Cepillado de engranes. (De D. B. Dallas, Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 3a. ed, McGraw-Hill, Nueva York, 1976.) para engranes de clientes rectos. El cortador endenta el engrane con los ejes del engrane y el cortador orientados aproximadamente unos 15° entre ellos. Cuando gira el engrane, hay movimiento axial deslizante de los dientes y los filos múltiples de la herramienta eliminan cantidades diminutas de material en las superficies del engrane; con esto, se tienen gran exactitud dimensional y acabado liso de superficie. El proceso se ilustra en la figura 4.22-9. El cepillado es aplicable a engranes con pasos diametrales de 2 a 180 y con diámetros de paso de 4 mm a 5.5 mm (0.15 a 220 in). La dureza del material no debe ser mayor de Rc 40. Las herramientas para cepillado son costosas, mucho más que las fresas de fresado continuo. Si se necesitan cepilladoras especiales, los costos aumentan y la preparación tiene que ser cuidadosa. Esto requiere grandes lotes de producción para abatir costos. Rectificado. Aunque a veces se utiliza para producir engranes de paso fino a partir de material sólido, el rectificado es un método para acabar engranes hechos con otros procedimientos. La aplicación usual es para rectificar después del tratamiento térmico con el fin de eliminar la deformación que se produce durante el mismo y, en otra forma, mejorar el hueco entre dientes, forma y acabado de superficie. Hay muchos métodos para rectificar engranes. En algunos se utilizan ruedas configuradas a la forma deseada para producir la totalidad de los dientes terminados; en otros se genera la forma de los dientes mediante el movimiento relativo entre el engrane y el husillo de la rueda abrasiva. En algunos métodos por generación se emplean ruedas múltiples o con costillas. Algunos métodos de rectificado son similares a los de maquinado de engranes, salvo que se emplea una rueda en lugar de un cortador. Casi cualquier engrane maquinable se puede acabar con rectificado. Las excepciones son los engranes internos con diámetro menor de 63 mm (2.5 in) y los muy grandes, de 2 mm (unos 6 ft) de diámetro, cuando no se tienen rectificadoras de esa capacidad. Se tiene más facilidad para rectificado cuando la dureza del material es entre R c 40 y R c 60. El rectificado de engranes puede ser costoso; pero se puede emplear para cualquier volumen de producción cuando la aplicación del engrane requiere tratamiento térmico y gran exactitud dimensional. Asentado "pulido con abrasivo ". Es similar al cepillado. La herramienta es un engrane de plástico impregnado con abrasivo que tiene dientes helicoidales, como los de cepillado. Así, cuando la herramienta endenté con el engrane, sus ejes no están paralelos. El asentado ocurre cuando la herramienta pulidora impulsa el engrane cierto tiempo en cada sentido y, además, hay movimiento transversal de la herramienta en la cara del engrane. Las melladuras, rebabas e irregularidades de la superficie se reducen o eliminan por la acción abrasiva de partículas de la herramienta. Este asentado se suele efectuar después del tratamiento

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térmico y si la deformación que produce con el mismo es mínima, se sustituye por rectificado. Es más rápido que el rectificado. A veces, se corrigen algunos errores en el hueco entre dientes y en la forma de éstos con el asentado, pero la aplicación principal es mejorar la superficie. El asentado se emplea con engranes de dientes rectos y helicoidales, internos y externos, con pasos diametrales de 32 o más gruesos y es más común para producción en gran volumen. Lapeado. Es un método para el acabado después del tratamiento térmico que emplea un compuesto abrasivo externo y una herramienta lapeadora en forma de engrane o dos engranes acoplados. La herramienta o el par de engranes se mueven conjuntamente con el compuesto. Con ello se corrigen errores diminutos de perfil, hueco entre dientes, concentricidad, ángulo de hélice y se mejora el acabado de superficie. Si se utiliza herramienta lapeadora, suele ser de hierro fundido o bronce para tener grano abierto que retenga el abrasivo. La herramienta, igual que la de asentado, tiene ángulo de hélice para permitir ejes no paralelos y con movimiento deslizante en el punto de contacto del diente. Por lo general, se comunica un movimiento alternativo adicional transversal al diente durante el proceso para lograr la acción abrasiva en toda la anchura del engrane. El lapeado se aplica a todos los engranes, incluso los cónicos, cónicos espirales e hipoidales, que se suelen asentar por juegos en vez de utilizar herramientas. Las herramientas lapeadoras, si se emplean, tienen costo razonable. El tiempo de ciclo es entre 1/2 y 2 min. Se puede aplicar en todos los volúmenes de producción, en especial para pequeñas cantidades, cuando los juegos de engranes se asientan simultáneamente. Bruñido. En este proceso, el engrane se endenta con un engrane bruñidor, endurecido, con dientes rectificados y pulidos con precisión. A veces se utilizan tres bruñidores, separados 120°. La presión de la herramienta mejora el acabado de superficie de los dientes del engrane y puede eliminar rebabas o melladuras que ocurran durante el manejo. Sin embargo, no mejora en forma apreciable la posición, forma o concentricidad de los dientes. La operación es rápida y comprende laminar el engrane sin endurecer en ambos sentidos con el empleo de un lubricante. El bruñido se puede utilizar con todos los volúmenes de producción; pero con gran volumen se justifica la inversión en equipo para pulido con abrasivo y sus resultados serán mejores a los logrados con el bruñido. Métodos de fundición. Se logran engranes fundidos semiacabados con todos los métodos de fundición; no obstante, las limitaciones del proceso, en especial las dimensionales, hacen que sólo se emplee la fundición a presión. (Por supuesto, es muy común fundir preformas de engranes en acero, bronce y otros materiales.) En los capítulos 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4 se describen estos métodos. Fundición en molde de arena. Con este método se logra mínima exactitud de los engranes. Una de las aplicaciones es la producción de engranes grandes p>ara molinos en los cuales se mejoran los perfiles y superficies de los dientes mediante relleno manual. Otras aplicaciones son mecanismos de movimiento lento, donde las irregularidades en la acción y el juego entre dientes de los engranes no son problemáticos. Ahora bien, los engranes fundidos en molde de arena se utilizan sólo cuando no se cuenta con medios para maquinado. Fundición en molde de yeso, molde permanente y molde de concha. Estos métodos son más exactos que los de molde de arena y los engranes son piara muchas aplicaciones comerciales, por lo general donde las cargas y velocidades no son altas y se pueden tolerar errores en el perfil y posición de los dientes. Estos métodos son más exactos que el molde de arena o cascarón, pero no dan la exactitud que se obtiene con el maquinado. De estos métodos, el de molde permanente es mejor para configuraciones sencillas, aunque la fundición en molde de concha es para formas más complejas, pero en tamaños pequeños. Se pueden fundir engranes helicoidales y cónicos espirales en molde de concha. Fundición a presión. Este proceso se utiliza mucho para fabricar engranes destinados a artefactos domésticos, máquinas de oficina, instrumentos, cámaras, etc. Este método se puede emplear para cantidades de producción grandes, y los engranes están destinados a cargas ligeras o moderadas y con tolerancias comerciales suficientes. Se producen engranes de dientes rectos, helicoidales, sinfines, cónicos, con rebordes y escalonados. El diámetro de paso máximo, normal, suele ser de 150 mm (6 in). Si la anchura de la cara excede de 6 mm (1/4 in), se requiere ahusamiento para sacar la pieza de trabajo del molde; después, se requiere recorte y en algunos casos, cuando hay ahusamiento en los dientes hay que recortar los dientes por cepillado o brochado, lo que resulta muy costoso.

FIG. 4.22-10 Secciones transversales típicas de engranes extraídos. (Datos cortesía de: The Ame rican Brass Co., excepto el último engrane, de Reynols Metals Company.) 4-243

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Métodos para formación de engranes. Hay numerosos métodos para formar engranes, ya sea para formar los dientes en un material que se somete a maquinado adicional con el fin de lograr la pieza terminada o para fabricar todo el engrane. Estos procesos incluyen extrusión, laminado y estirado en frío, troquelado, sinterizado y forja. En muchos casos pueden ser tan exactos como el maquinado. A menudo se utilizan con metales ferrosos de alta resistencia, lo cual no se puede hacer con fundición a presión y otros métodos para fundición. Extrusión. En la figura 4.22-10 se ilustran secciones transversales de engranes extraídos. Se logran mejores resultados con piñones de paso grueso. El proceso incluye extrusión directa (Capítulo 3.1). Para obtener la exactitud requerida en los engranes, se necesita estirado secundario después de extruir. Luego, el material se corta, tornea y rectifica lo necesario en tomos de volteo o maquinas para hacer tornillos equipadas con boquillas especiales. Los engranes extruidos se utilizan en diversas aplicaciones, como relojes de pared, instrumentos y aparatos domésticos. El proceso está limitado a engranes de dientes rectos y es más económico para cantidades entre medianas y grandes. Estirado enfrío. El estirado en frío va después de la extrusión e incluye pasadas repetidas de material en barras por dados con aberturas progresivamente menores, cada una de forma más semejante a la del engrane que la anterior. Este proceso se describe en el capítulo 2.2, parte 2. Igual que para los engranes extruidos, se corta el material y se maquina para producir todas las superficies excepto los dientes de los engranes; se logran engranes con dientes de acabado fino de superficie y alta densidad. La exactitud es más o menos equivalente a la lograda con maquinado. Para aplicaciones de alta precisión o cargas elevadas, los engranes estirados no son tan buenos como los maquinados, debido a los esfuerzos internos producidos durante el estirado. Este método se aplica a piñones de dientes rectos en materiales que se puedan estirar, incluso el acero. Es posible producir dientes con formas evolventes y cicloidales y otras formas especiales, como engranes no circulares y trinquetes ("matracas"). Los diámetros exteriores máximos son de 50 mm (2 in). Se necesita producción elevada para amortizar los costos del herramental. Los engranes estirados en frío se utilizan en máquinas de oficina, proyectores cinematográficos, interruptores, medidores de tiempo (timers), relojes en general, cámaras, mecanismos de básculas y equipos similares. Sinterizado (metalurgia de polvos). Los métodos de sinterizado descritos en el capítulo 3.12 se utilizan cada vez más para producir engranes; se pueden elaborar engranes de dientes rectos, engranes helicoidales con ángulo de hélice hasta de 35°, engranes cónicos y engranes de dientes laterales. Es el proceso más adecuado para fabricar engranes de dientes rectos de paso grueso; se pueden producir pasos tan finos como 64. El tamaño de los engranes depende de la prensa disponible; por lo general se elaboran engranes con diámetros hasta de 90 mm (3-1/2 in) y son posibles con diámetros hasta de 150 mm (6 in). Con el fin de lograr la exactitud requerida en casi todas las aplicaciones, se someten a reprensado o acuñado después de la sinterización. En tales casos se pueden lograr exactitudes hasta de AGMA no. 9; sin reprensar, la exactitud es de alrededor de AGMA No. 6. Los engranes reprensados tienen excelente acabado de superficie. La superficie de los que no se reprensan tiene suficiente porosidad para que se les impregne, al vacío, con aceite para darles lubricación permanente. Una ventaja del sinterizado para engranes es que se pueden incluir en ellos salientes, muescas, collares, protuberancias, cuneros y otras formas irregulares sin operaciones adicionales. El costo de las herramientas es elevado. Por tanto, se requiere gran producción para lograr máxima economía de manufactura. Los engranes sinterizados de hierro, latón y acero se utilizan en artefactos domésticos, instrumentos, herramientas eléctricas, equipo agrícola y para jardinería, máquinas de oficina y vehículos automotores. Troquelado. Los procesos de troquelado descritos en los capítulos 3.2 y 3.4 se pueden emplear para la producción económica de engranes de dientes rectos de buena exactitud. Mejores resultados requieren herramientas precisas para troquelar todos los dientes y perforar el agujero central con una sola carrera de la prensa. Los métodos de troquelado para corridas cortas con herramientas menos precisas y carreras múltiples de la prensa no son de suficiente exactitud para las aplicaciones usuales; por ello, este método sólo es económico para producción en gran cantidad. El troquelado de metales es una operación que se efectúa con lámina (chapa) metálica.

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El espesor del material troquelable para engranes depende del tamaño de los dientes; por lo general es entre 0.25 y 2.5 mm (0.10 in a 0.100 in). Cuando se requieren mayores anchuras del flanco, se lamina cierto número de piezas punzonadas individualmente, las cuales se pueden unir con remaches, ajuste a presión o soldadura de arco o gas. Aunque los bordes de los engranes troquelados tienen las mismas zonas de aplastamiento, cizallamiento y desprendimiento que otras piezas troqueladas, la parte cizallada puede tener gran exactitud; en algunos casos hasta de AGMA Q9. Cuando se utiliza el troquelado fino, se recorta todo el borde y queda con esa calidad. Este proceso, por su exactitud y los bordes escuadrados lisos que produce, es adecuado para troquelar engranes. Los pasos diametrales varían entre 20 y 120. Se pueden producir ranuras, lengüetas y formas especiales sin operaciones adicionales si se agregan los elementos necesarios en el troquel de plantilla. Las aplicaciones incluyen medidores eléctricos y de agua, relojes, instrumentos, contadores y artefactos domésticos. La rapidez de producción es de 35 a 200 piezas por minuto. Las operaciones secundarias son rebabeado en barril y, a veces, la electrodeposición. Forja. La forja (Capítulo 3.13) sólo se utiliza para producir preformas de engranes, aunque la producción de ellos en años recientes ha sido limitada. El proceso incluye pasos adicionales comparado con los procesos de forja comerciales más comunes, pues requiere maquinado preciso de la preforma forjada, así como forja de desbastado y acabado. El proceso es más aplicable a engranes cónicos rectos y de dientes laterales. Se pueden hacer engranes de dientes rectos, pero la duración de los troqueles es muy corta. Se han producido engranes cónicos espirales como experimento. Los engranes forjados no son tan exactos como los maquinados; en condiciones contratadas se pueden mantener tolerancias casi equivalentes a las logradas con maquinado para desbastar. Dichos engranes tienen mayor resistencia a la fatiga. Se necesita producción en gran volumen para amortizar los costos de herramientas y de creación del proceso.

Moldeo de engranes dé plásticos Moldeo por inyección. Es el método menos costoso para producir engranes en grandes cantidades (véase Capítulo 6.2). Salvo por el cuidado al hacer los moldes y el estricto control del proceso para lograr la gran exactitud dimensional requerida en estos engranes, el moldeo es igual que para cualquier otra pieza. Los engranes de plástico tienen muchas aplicaciones cuando la potencia que transmiten es baja y se necesita funcionamiento silencioso, peso ligero, resistencia a la corrosión y la lubricación inherente de los plásticos. Se pueden moldear con facilidad todas las configuraciones, incluso helicoidales, cónicos y cónicos en espiral. Es posible hacer en una sola pieza, mediante moldeo por inyección, trenes de engranes y piezas combinadas que tengan levas, protuberancias, pestañas y agujeros. Los pasos diametrales son entre 20 y 120. Los engranes de plástico no son adecuados para altas temperaturas, cargas y velocidades. Tienen un coeficiente de dilatación térmica mucho más alto que los metales y su empleo en una amplia gama de temperaturas no es satisfactorio. Los nylon y otros materiales susceptibles a la absorción de humedad y expansión, por lo cual hay que tener cuidado al ajustar el endentado de trenes de engranes en lugares húmedos. No se recomienda acoplar engranes de plástico con los sintetizados, pues la superficie porosa de éstos desgastara con rapidez el plástico. La resilencia de la mayor parte de los termoplásticos ayuda a lograr funcionamiento suave y silencioso y un mínimo juego entre dientes si se ajusta el juego de engranes para obtener el máximo endentado de los dientes acoplados. Los termoplásticos tienen menos fricción, son ligeros de peso, no necesitan lubricación y tienen buena resistencia al impacto y la corrosión. El moldeo por inyección, por supuesto, es para alta producción. El trabajo es rápido y se pueden producir de 60 a 80 piezas por hora por cavidad del molde. Los moldes para inyección tienen un costo muy alto y se necesita producción en gran volumen para amortizarlos. Moldeo por compresión y otros procesos con plásticos termofijos (termoendurecibles). Estos procesos son de empleo menos frecuente que el moldeo por inyección para engranes, pero se utilizan en muchas aplicaciones. Los procesos descritos en el capitulo 6.1 se utilizan con una gran variedad de materiales termofijos. Los engranes de plástico termofijo tienen casi todas las ventajas y limitaciones de los engranes termoplásticos moldeados por inyección. Una

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ventaja es que se pueden emplear con más facilidad a temperaturas razonablemente altas. Los procesos con plásticos termofijos se prestan para producción en cantidades bajas y medianas.

Materiales adecuados para los engranes El primer requisito de cualquier material para engranes es poseer suficiente resistencia para transmitir la potencia requerida. La facilidad de maquinado también es importante para engranes maquinados por dos razones: hay que eliminar una cantidad considerable de metal al maquinarlos y es más fácil lograr maquinado de precisión y buenos acabados de superficie, que son importantes en los engranes, cuando el material que se utiliza tiene buena clasificación respecto de su facilidad de maquinado. Otras propiedades que casi siempre son deseables y pueden ser necesarias en ciertas aplicaciones son resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional, resistencia al impacto, peso ligero, resistencia a las altas temperaturas, facilidad para tratamiento térmico, resistencia al desgaste, lubricación natural o compatibilidad con los lubricantes, propiedades para amortiguar el mido o producir el menor ruido posible, sin olvidar el bajo costo. Engranes maquinados. Casi siempre se elaboran con acero por su alta resistencia y costo razonable. El acero al carbono es de bajo costo, adecuado para maquinado y endurecido superficial y se emplea mucho para engranes comerciales. Los aceros de aleación ofrecen características de tratamiento térmico, resistencia mecánica a la corrosión y al desgaste, pero quizá sean menos fáciles de maquinar que los aceros al carbono comunes;; además, su costo es más alto. Se deben tener en cuenta los aceros emplomados y resulfurados (de libre maquinado) para hacer engranes maquinados; sin embargo, tienen mayor resistencia al impacto y no son muy adecuados para aplicaciones de alta potencia. Los aceros inoxidables se emplean cuando la resistencia a la corrosión es esencial; pero hay que cevitarlos si se puede porque son mucho más costosos y difíciles de maquinar, no tienen buena resistencia al desgaste y los de la Serie 300 no se pueden someter a tratamiento térmico. Los hierros fundidos tienen algunas propiedades deseables, para fabricar engranes; son de fácil maquinado, bajo costo y tienen buenas características de amortiguación de ruido. Sin embargo, excepto los dúctiles y los maleables, tienen poca resistencia a los choques; aunque pueden tratarse térmicamente para aumentarles la resistencia mecánica. Los aceros fundidos tienen mejores propiedades mecánicas que los hierros fundidos aunque cuestan más, son más difíciles de maquinar y no tienen buena amortiguación de ruido. En la tabla 4.22-1 se enumeran los materiales ferrosos comunes utilizados para engranes maquinados. En la tabla 4.22-2 se mencionan los aceros para engranes adecuados para endurecido superficial y endurecido local. El bronce es muy buen material para engranes, en especial cuando ese engrane se acopla con uno de acero y ocurre fricción por deslizamiento como en los sinfines. Casi todos los bronces para engranes tienen gran facilidad de maquinado y buenas resistencias al desgaste y corrosión. Su costo inicial es alto. El aluminio es buen material para engranes destinados a cargas ligeras. Se maquina con facilidad y se obtiene un buen acabado de superficie. También es ventajoso cuando se requieren peso ligero y resistencia a la corrosión. En la tabla 4.22-3 aparecen las aleaciones específicas de bronce, latón y aluminio para engranes maquinados. Engranes fundidos a presión. Se pueden trabajar con zinc, aluminio, latón o magnesio. Se prefiere el zinc porque es muy fácil de fundir a bajas temperaturas. En la tabla 4.22-4 aparece información de las aleaciones de empleo más común para engranes. Engranes formados. Los engranes formados hechos por laminado se pueden manufacturar con acero al carbono, aceros de aleación e inoxidables, hierro maleable, latón y aluminio. Se deben utilizar los tipos de estos metales para formación en frío en lugar de los de libre maquinado. En el caso del acero y el latón, el azufre o el plomo reducen la ductilidad. La dureza de las preformas de acero no debe ser mayor de Rc 28.

TABLA 4.22-1 Metales ferrosos para engranes maquinados

Material Acero al bajo carbono

Especificación

Resistencia a cedencia, psi*

Acero al alto carbono

AISI 1060

Aceptable

54 000

Acero al carbono resulfurado Acero al cromo-molibdeno

AISI 1117

Excelente

34 000

Igual que para AISI 1020

AISI 4140

Bastante buena

60 000

Se puede nitrurar y endurecer con llama

AISI 41L40

Excelente

AISI 1040

Buena

30 000

Bastante buena

40 000

Observaciones Para engranes comerciales para potencia baja o moderada; se puede carburizar superficialmente Se puede endurecer por inducción o llama hasta BHN 500 Para alta potencia

Acero al mediano carbono

AISI1020

Facilidad de maquinado

Acero al cromo-molibdeno (emplomado) Acero al níquel-cromomolibdeno Acero inoxidable

AISI 4340

Aceptable

65 000

AISI 303

Aceptable

35 000

Acero inoxidable

AISI 416

Aceptable

40 000

Hierro fundido

AGMA 20

Muy buena

Hierro fundido

AGMA 60

Buena

Hierro dúctil

ASTM 80-60-3

Buena

20 000

Igual que 4140; no es para alta potencia Se puede nitrurar y endurecer por inducción Máxima resistencia a la corrosión; no se pude endurecer; no magnético; para baja potencia Se le puede dar tratamiento térmico; para potencias bajas a medianas Propiedades amortiguadoras de ruido; para potencia moderada; aplicaciones con bajo impacto, tamaño grande

60 000

Igual que AGMA 20 pero con mejores propiedades mecánicas

60 000

Mejor resistencia a impacto y fatiga que el hierro fundido

•Recocido.

4-247

TABLA 4.22-2 Aceros para engranes utilizados con diversos procesos de endurecido superficial y endurecido local*

Carburización

Nitruración

1015 1019 1117 1320 3310 (engranes para aviones) 4119 4320 4615 4815 8620 8720 9310

4130 4140 4340 8630 Nitralloy N Nitralloy 135 Nitralloy 135— Modificado

Carbonitruración 1010 1117 1320 5130 8620

Cianuración 1020 3115 4640 5132

Endurecimiento inducción

Endurecimiento por flama

1040 1050 4340 4350

1040 1050 1360 2340 3150 4140 6150

*De George W. Michalec, Precisión Gearing: Theory and Practice, Willey, Nueva York, 1966. Todas las especificaciones son números AISI.

TABLA 4.22-3 Metales no ferrosos para engranes maquinados

Facilidad de maquinado Material

Especificación

Aluminio-bronce

ASTM B150-2

Manganesobronce

ASTM B138-A

Excelente Buena

Bronce fosforado

ASTM B139-C

Excelente

Bronce al silicio

ASTM B 98-B

Excelente

Latón de libre corte

ASTM B 16

Aleación de aluminio

ASTM 2024-T4

Aleación de aluminio

ASTM 7075-T6

4-248

Excelente

Excelente

Excelente

Resistencia a la cedencia psi 60 000

Observaciones

Sirve para tratamiento térmico; alta resistencia mecánica y a la corrosión; baja fricción 65 000 Para cargas pesadas; lugares salitrosos, para piezas fundidas que requieren maquinado subsecuente 45 000 Buena resistencia al desgaste en aplicaciones deslizantes 35 000 Resistencia mecánica y a la corrosión, moderadas 44 000 Bajo costo; no corrosivo; aplicaciones de mediana precisión 47 000 Aleación mas empleada P3™ engranes; excelente acabado de superficie; para trabajo ligero 48 000 La S mejores propiedades mecánicas de aleaciones de aluminio para engranes

ENGRANES

4-249

TABLA 4.22-4 Metales para engranes de fundición a presión

Material

Especificación

Resistencia a la tracción, psi

Zinc

ASTM AG-40A (XXIII)

41000

Zinc

ASTMAC-41A (XXV)

47 000

Aleación de aluminio Aleación de aluminio

13 380

Aleación de magnesio

ASTM AZ91A

Latón

Z30A

36 000 43 000 33 000 55 000

Observaciones Ciclo de máxima rapidez; gran duración de moldes; óptimos acabado de superficie y exactitud dimensional; alta resistencia al impacto Facilidad de fundición, acabado y exactitud un poco menores, pero mejores propiedades mecánicas que AG-40A; no es para servicio prolongado a más de 2000°F Ligera; resistencia a la corrosión Ligera; resistencia a la corrosión Mala resistencia a la corrosión; muy ligera; para cargas bajas Buena facilidad de maquinado; corta duración de moldes; buena resistencia al impacto

Secciones de engranes eximidos. Estas secciones se hacen con los metales recomendados para otras extrusiones en el capítulo 3.1 y los ejemplos comunes son aluminio, latón y magnesio. Engranes moldeados. Los materiales plásticos para estos engranes incluyen nylon, poliacetal, policarbonato, poliuretano, fenólicos laminados con tela o con papel y, en ocasiones, una amplia serie de otros termoplásticos. Otros materiales, como el poliestiereno, polietileno, polipropileno y acetato de celulosa se emplean para juguetes y otros productos de bajo precio para aplicaciones con mínima carga. Se logra una gran economía cuando los plásticos para engranes se moldean por inyección; pero para trabajo en pequeñas cantidades se suelen maquinar; algunos plásticos, en especial los que tienen relleno de fibra de vidrio, no son fáciles de maquinar. Se requieren herramientas muy afiladas para minimizar las rebabas y hay que evitar los aumentos de temperatura con el corte, con el fin de controlar las dimensiones. En la tabla 4.22-5 se describen los materiales no metálicos comunes para engranes. Engranes troquelados. Se producen con todos los aceros al bajo o mediano carbono y todas las aleaciones de latón, incluso bronce y aluminio duro y medio duro. Los grados maquinables de estos materiales suelen ser fáciles de trabajar con troqueles de plantilla para engranes. Engranes sintetizados. Estos engranes se hacen con aleaciones ferrosas y de cobre, las primeras son las más comunes. Es posible el endurecido superficial de materiales a base de acero y hierro, en la tabla 4.22-6'se enumeran algunos metales en polvo comunes para fabricar engranes. En la tabla 4.22-7 aparecen las durezas relativas para engranes de acero y de hierro.

Recomendaciones para diseño La configuración normalizada (estandarizada) y con dimensiones precisas para las funciones de los engranes limita mucho la facilidad del ingeniero para selecionar un diseño opcional de menor costo. No obstante, el diseñador puede efectuar elecciones que se reflejaran en el costo

TABLA 422-5 Materiales no metálicos para engranes

Material Laminados fenólicos

Rellenos

Resistencia a la tracción, psi

Método para fabricación

17 00021000 9 00014 500

Maquinado de material o preforma moldeado por compresión

No es fácil de maquinar; mal acabado de superficie; se emplea para trabajo pesado

Moldeo por inyección

Alta resistencia al desgaste; sufre expansión higroscópica; se puede rellenar con grafito o disulfuro de molibdeno para mejor lubricación

Papel Kraft Lona de algodón ................... Fibra de vidrio

11 200 19 00031000

Poliacetal

.................... Fibra de vidrio

10 000 8 50013 500

Policarbonato

...................

Poliuretano

Fibra de vidrio

9 000Moldeo por 10 500 inyección 5 000Moldeo por 10 000 inyección

Nylon