MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN. Segunda Edición

 

MA MATE TERI RIALE ALESS Y PROCESOS PR OCESOS DE FABRICACIÓN Vol. 2

Segunda edición

 

MATERI MATE RIAL ALES ES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN Vol. 2 E. P. DeGarmo / J. T. Black / R. A. Kohser

Segunda edición

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · México

 

 

Título de la obra original:

Material and Processes in Manufacturing, Sixth Edition

 Edición original original en lengua iinglesa nglesa publ publicada icada por

Macmillan Publishing Co., New York, U.S.A. Copyright © Macmillan © Macmillan Publishing Company, a Division of Macmillan, INC. 

 Edición en español: español: © Editorial Reverté, S. A., 1994 Edición en papel: ISBN 978-84-291-4824-4   Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9096-0

Versión española coordinada y traducida por:

Dr. J. Vilardell Profesor de la Universidad Politécnica de Barcelona  

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A.  Loreto, 13-15. Local B Tel: (34) 93 419 33 36 08029 Barcelona. España [email protected] www.reverte.com Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, queda rigurosamente prohibida sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas por las leyes.   # 1064

 

  refacio

Est a sexta edición Esta edición de Materiales y Procesos e abricación es la más reciente revisión del texto, que tan buena acogida recibió, introducido por E. Paul eGarmo en 1957 y sucesivamente revisado en 1962, 1969, 1974 y 1979 En este caso, el Profesor De Garmo sigue manteniendo la dirección del conjunto de la obra, si bien h a delegado

gran parte de la redacción a dos nuevos coautores: el Dr. Ronald A. Kohser y el Dr. J T Black. El Dr. Kohser se responsabiliza de las secciones de materiales y de proce sos de moldeo, conformación y unión. El Dr. Black preparó la secciones relativas a las operaciones de mecanizado y a las de procesos y técnicas relacionadas con la fa bricación. Mirando atrás, nos encontramos con que las tendencias que se sei íala íalaban ban en la quint a edición, es de deci cir, r, más automat ización y más man mandos dos por ordenador, además de mayor acentuamiento en la productividad con calidad, se han manifestado hasta un punto tal que, actualmente, Estados Unidos se halla trabada en una batalla de productividad de dimensiones mundia mundiales, les, sin parangones desde la Guer Guerra ra Mun dial. En concreto, países como el Japón han efectuado incursiones importantes en zonas comerciales e industriales en tiempos consideradas dominio exclusivo de Esta dos Unidos. Los japoneses lo han conseguido desarrollando desarro llando sistemas sistemas de fabricación fabricación significativamente distintos en filosofía, metodología y complejidad. Estrategias ta preciso» so» y «e «ell control de d e calidad total» to tal» han les como la producción «en el momento preci revolucionado este terreno. Los tiempos de preparación prepa ración de máquina se reducen hasta punto nto en q que ue se hace económico producir prod ucir en pequei pequei ías ías cantidades. Mejoran Mejo ran y aumen el pu tan el interés del operario y todo el pe personal rsonal de la compai íía asume su responsabili dad ante el perfeccionamiento de la calidad. El comprobado éxito d e tales métodos y filosofías obligan a implantarlos en todo el mundo. a actividad fabril se está viendo literalmente invadida por los ordenadores y microprocesadores y es esperable que con ello evolucione y se desarrollen nuevas apli de control lógicos todo género de máquinas. El di caciones. sistemas ayu lógicordenador os manejar manejarán án emparejarán sei ío y la Los fabricación ayudad dados os por se estrechamente con los ensayos ensayos y la verificación ayudados ayud ados por ordenador, de tal modo que todo el siste-

V

 

VI

refacio

ma de producción caerá bajo el control de los ordenadores. Los robots industriales ejecutarán las operaciones con precisión y fiabilidad extremas. En la presente edición se reflejan todos esos cambios con la esperanza de que, a la vez que sirva de texto en las escuelas de ingeniería y en la industria de Estados Unidos y muchos otros países países,, contribuya contr ibuya al progreso significativamente. significativamente. Se han de dicado espacios considerables a la robótica, a la fabricación asistida por ordenador y a las nueva nuevass teorías teorí as sobre gestión de fabricación tales como com o tecnología tecnolog ía en grupo, grupo , fabricación en el momen momento to preciso y control contro l de calidad integrado), ya que los los autores reconocen en ellos a los elementos teóricos y materiales de las plantas fabriles del futuro. Un ingeniero puede intervenir en un proceso de fabricación de una diversidad de formas: en la investigación de materiales, en el estudio y proyecto de maquinaria e instalaciones instalaciones y en las técnicas técnicas de transform trans formació ación n de materiales. Sin embargo, embargo, la l a in mensa mayoría se ocupa de materiales y técnicas en cuanto a procedimientos para hacer realidad los proyectos. n la etapa de proyecto se toman un buen número de decisiones en torno a los materiales a utilizar y a los procesos a seguir para transfor mar o elaborar los primeros. n alguna fase de la secuencia de proyecto, selección de materiales y elaboración alguien debe decidir respecto a los materiales a utilizar y a los los procesos de transformac transfo rmación ión o elaboración elabor ación a aplicar. aplicar. Dado Dad o que dichas decisio decisio nes afectan siempre al coste del producto, y que las mismas pueden afectar crítica mente a su funcionalidad, es en sumo grado conveniente conveniente que sea el proyectista quien las tome o al menos, que participe en ellas; de lo contrario, quizá resulten afectados los costes o la funcionalidad, o ambos a la vez. El proyecto, los materiales y el proce so deben considerarse componentes de una entidad única. Si bien continúan apareciendo materiales nuevos, y habitualmente más específi cos, el hecho de que las reservas de materias primas de nuestro planeta son limitadas es algo que hoy día nadie discute. n los años más recientes recientes se han creado materi materiales ales nuevos para hacer frente a demandas especiales, a medida que éstas surgen, los cua les suelen requerir unas técnicas de fabricación particulares y más precisas con el fin de aprovechar eficazmente las propiedades de tales materiales. Actualmente, y en el futuro, la economía de escase escasezz y la necesidad necesidad de reciclar reciclar harán hará n necesario emplear emplea r con el mejor rendimiento los materiales disponibles, disponibles, y estos factores factores jugar jug arán án un papel ca da vez más importante en la selección de los mismos. Del mismo modo, se han ido haciendo cada vez más comunes máquinas más perfeccionadas y versátiles, pero és tas, en su mayoría, sólo pueden aprovecharse al máximo, o por lo menos con el me me jor rendimiento, si el proyectista conoce bien sus posibilidades y limitaciones. Por ello, aunque el propósito fundamental de esta edición siga siendo el mismo que en el de las anteriores, se ha acentuado la atención a la interrelación entre proyecto, selección de materiales y técnicas de fabricación, acento que se realza especialmente en el capítulo 10 titulado «Selección de materiales». Se prosigue haciendo hincapié en los los procesos básicos, básicos, pero recalcando más la l a manera maner a en que los mismos se llevan a cabo con las modernas moder nas máquinas má quinas herramient herra mientaa polivalen polivalentes. tes. También se se resalta la uti-

 

  refacio

VII

lización de los mandos de lectura digital y de los sistemas de mando numérico, por cinta y por ordenador. Se dedica atención particular a los procesos y técnicas de fabricación que posibilitan producir produc ir directamente piezas piezas en su forma final final,, o casi casi final, final, con poco o ningún desperdicio de materiales. Aunque se hay hayaa realizado un esfuerzo considerable para incluir todos tod os los progresos más recientes, importantes y prometedores, tanto en materiales como en procesos, el acento se sigue sigue cargando cargan do esencialmente esencialmente en llos os conceptos fundamentales, par paraa ofrecer con ello una base consistente desde la que conocer los fenómenos ya estudiados y también los que aún no se utilizan. Así pues, los capítulos sobre materiales están destinados a realzar realzar p r qué unos materiales u otros son adecuados adecu ados para pa ra ciertas aplicaciones, por qué reaccionan como lo hacen al sufrir determinados procesos y p r qué deben tratarse de un modo específico para obtener los resultados deseados. ómo se elabora un cierto material es también un objetivo importante, pero secundario. dari o. Análogamente, respecto respecto a la lass máquinas máquin as herramienta, herramient a, se insiste primordialmente en o que son capaces de hacer, en cómo lo hacen, en su precisión y en sus ventajas y limitaciones relativas, especialmente las económicas. Aunque debe prestarse alguna atención a su constitución constituc ión y funcionamiento, ello ello es excl exclusiv usivament amentee al objeto obj eto de que se conozca mejor la relación entre las herramientas y los objetivos precedentes. En la quinta qu inta edición se presentaban casos prácticos al final de diversos capítulo los. s. Esta Es ta edición contiene contie ne treinta treint a y nuev nuevee de ellos ellos,, en su mayo mayorr parte par te frut f ruto o de la expeexperiencia profesional de uno de los autores. Se señ.ala aquí que no siempre guardan relación relac ión únicamente con el tema trata do en el capítulo que cierran, sino que su solución se basa en el contenido de todo lo tr trat atad ado o hasta ese ese punt pu nto o del texto. texto. A vec veces es,, el lector deberá consultar las fuentes de información convenientes para hacerse con los datos que necesite, tal como le ocurriría en la realidad.) Estos casos prácticos son extremadamente útiles para despertar la conciencia del estudiante acerca de la gran importanci impor tanciaa que tiene tiene coordinar coord inar correctamente correctamen te un proyecto proyecto con la selección selección de materiales y el proceso de manufactura, con el fin de lograr un producto satisfactorio y exento de fallos. Al igua iguall que en ediciones anteriores, se han cuidado mucho las ilustraciones. Las fotografías se han elegido elegido con el el criterio de que instruyan i nstruyan y no de que q ue hagan publicipublicidad de un producto pro ducto determinado. Un buen número núme ro de ellas ellas se han realizado especialespecialmente para p ara este texto y en ello numerosas empresas empresas han ha n cooper cooperado ado de muy buen bu en grado. Ahora bien, debe tenerse presente que en muchos casos se han retirado guardas de protección de las máquinas para dejar al descubierto detalles importantes y que el personal que aparece no está provisto de los indumentos de protección que llevaría en caso de trabajo normal. El libro sigue estando ordenado de modo que pueda emplearse en cursos que traten de materiales y procesos a la vez, o bien en cursos que traten sólo de procesos de fabricación. En el primer caso, a lo largo de todos los capítulos se encontrará un tratado trat ado completo comp leto tanto tan to de materiales como com o de procesos y técn técnicas icas.. n el segundo caso pueden omitirse los capítulos 2 a 10; aunque éstos puedan aprovecharse como

 

VIII

refacio

texto de consulta rápida donde se explica por qué los materiales se comportan omo lo hacen. Los autores desean reconocer la ayuda y cooperación de sus esposas y familias durante la preparación de esta sexta edición. Sus discusiones con estudiantes y colegas les fueron de muchísima utilidad e influyeron en la revisión de algunos capítulos clave Agradecen además sinceramente sinceramen te lo loss ánimos ánim os y críticas construct const ructivas ivas re recibidos cibidos de tantas personas. E Paul DeGarmo Temple Black Ronald A Kohser

 

Índice

n lítico

Prefacio

M TERI LES 1 2 3 4

Introducción Propiedades de los materiales Naturaleza de los metales y aleaciones Obtención y propiedades de los metales industriales ordinarios Diagramas de equilibrio 6 Tratamientos térmicos 7 Product Productos os siderúrgicos siderúrgicos aceros aceros y ferroaleaciones) 8 Aleaciones no férreas 9 Materiales no metálicos: plásticos, elastómeros, cerámicas y materiales compuestos Selección de materiales lO

3 37 75 1 3 133

159 195 217 241 281

TÉCNIC S DE FUNDICIÓN FUNDICIÓ N Y MOLDEO 12 3

14 5

Técnicas de moldeo Pulvimetalurgia

299

Fundamentos de la conformación de los metales Operaciones de trabajo en caliente Operaciones de trabajo en frío

389 4 9

371

447

IX

 

fndice

 

PROCESOS 16 17 18

19

2 21

22 23

24 25

26 27

28

3 31

32 33

34

MEC NIZ CIÓN 521

Metodología y verificación Aptitud de un proceso y control de calidad Arranque de viruta Limado y cepillado Torneado y mandrinado Taladrado y escariado Fresado Mecanizado abrasivo Brochado Aserrado y trabajos de lima Operaciones de mecanizado no tradicionales Tallado y conformación de roscas Fabricación de engranajes

IV PROCESOS 29

E

n lítico

E

575 9

647 661 713

743

767 813

827 845 877

9 3

UNIÓN

Solda dura por forja oxi Soldadura oxigá gáss y eléctrica por arco Soldadura por resistencia Otros procedimientos de soldadura y operaciones afines Corte con soplete y por arco eléctrico Soldadura Soldadu ra fue fuerte rte solda soldadura dura blanda unión con adhesivos y fijación mecánica Problemas potenciales de la soldadura y el corte térmico

V PROCESOS Y TÉCNIC TÉCN IC S REL TIV S

L

941

975 991 1 13

1 27 1 51

F BRIC CIÓN 1 65

38

Trazado Posicionadores y montajes Tratamientos superficiales decorativos y protectores Sistemas de fabricación y automatización

39

Sistemas de producción

12 1

35

36 37

1 77

1 97 1127

 

Índice analítico

XI

C SOS PRÁCTICOS 1 Economía de la producción en masa 2 El caso del acero resuelto 3 4 6 7 8 9 10 12 13

14 15

16 17 18

19

20 21

22 23 24 25

26 27

28 29

30 31

32 33

34

Unos datos mal empleados El cable roto Cómo utilizar incorrectamente un diagrama de fases El martillo de fragua astillado Los puentes diferenciales termotratados La Lass biela bielass de alumini aluminio o que sustituyeron a otr otras as de acero La bicicleta repar reparada ada La tubería de vapor subterránea Las hélices defe defectu ctuosas osas Un engranaje que dura poco Los cojinetes rotos Material para un recipiente industrial resistente a la corrosión La hélice rota Un palier controvertido Unos espárragos roscados de cabeza esférica El implante quirúrgico roto Los anillos de retención de aluminio Aspectos económicos del mecanizado de un árbo árboll de acero 86 862 2 lamin laminado ado en caliente Estudio del punto muerto de una pieza de torno El caso del acero rápido contra el metal duro Un pie de fundición El palier deslizante Los collarines de la compafiía Yo Ko Los torpillos atmosféricos El misterio del perno de bronce ¿Cómo se abocinó el tubo? Los caballetes del contenedor El enganche de remolque roto Un árbol con leva circular El palier roto El rotor de una trituradora de basuras industrial La hélice agrietada

35 73 101

130 157 194 216

24 28 295

369 387 408

444 518

573 593

646 659 711

739 765 811

826 843

875 902 937 973

989 1012

1024 1048 1061

 

Índice

X

35

36 37 38

39

caso del acoplamiento del volante de dirección La instalación de un puente guía La rotura de una rueda de aluminio La pieza con el agujero triangular El accidente del trineo motorizado péndice Índice alfabético

n lítico

El

1 75 1 95 1124 98

1229 1231 1241

 

P RTE

PROCESOS DE ME MEC C NI NIZ Z DO

5 9

 

Capítulo Metrología

6

verificación

En los procesos de fabricación se crean formas de unas medidas concretas. A efectos de intercambiabilidad, esas medidas estan muchas veces normalizadas, o tipificadas. norm aAsí,, las bombillas Así bombilla s de 60 watt se hacen con los casquillos de la misma medida normalizada y, por su parte, los fabricantes de portalámparas hacen los enchufes de modo que admitan tales bombillas. Asimismo, es imposible comprar una bombilla de 67 watt, pues ésta no es una potencia normalizada. Al objeto de fabricar económicamente productos intercambiables con unos niveles determinados de calidad y fiabilidad, en el proyecto se definen unas especificaciones exactas, durante o después de la fabricación se llevan a cabo medidas a precisión de formas y dimensiones y, con el fin fin de controlar contr olar la calidad, se prove proveen en medios para rretorn etornar ar al proceso aquella información metrológica. En términos generales, la dificultad y el costo de la fabricación de un producto produ cto crec crecen en ambos conforme se tra trata ta de incorpo in corporar rar mayores mayores precisión precisión exactitud a dicha fabricación. a fabricación en gran escala basada en la normalización e intercambiabilidad se generalizó a comienzos del decenio de 1900. El control dimensional hay que integrarlo en las máquinas herramienta y en los dispositivos de fijación de las piezas merced a una u na manufa ma nufactur cturaa de precis precisión ión de tales tales máquinas máq uinas y útiles. útiles. Seguidamente debe comprobarse cuidadosamente la producción de las máquinas 1) para establecer las posibilidades de cada máquina concreta y 2) para controlar y mantener la calidad del producto. Cuando Cua ndo un proyectist proyectistaa especifica especifica las las dimensiones y tolerancias tolerancias de una un a piepieza, muy a menudo lo hace para mejorar la actuación del producto pero, con ello, determina también las máquinas y operaciones necesariasalterar para fabricarlo. cha frecuencia al ingeniero de proyectos le será necesario un diseño Con para mumejora jo rarr la facilidad o los costos de fabricación fabricaci ón producibilidad), producib ilidad), o bien del conjunto 52

 

etrología y

522

verific ción

del producto y para el del ello lo deberá estar siempre siempre preparado prepar ado con tal que no se sacrifiquen la funcionalidad funcio nalidad la fiabilidad ni las caracte características rísticas operativas. operativas. Atributos

inspección del producto sea durante l a fabricación o des des variables La inspección

puéss de pué de ésta por medios manuales o automáticos es responsabilidad de la verifica-

inspección ón de artículos o productos puede hacerse básicamente por po r dos pro ción. a inspecci cedimientos: l. Por atributos; aquí se emplean calibre calibress para par a determinar si el producto es aceptable o no no tomándo tomándose se una decisi decisión ón de de tipo si-o-no ó pasa-no-pasa. 2. Por variables; en este caso se emplean instrumentos tarados para determinar en qué cuantía es bueno o malo el producto comparado con las medidas buscadas. En un automóvil son ejemplos de instrumentos de medir por varia variables bles el velocímetro y el man manóme ómetro tro del aceit aceitee mientras mientr as que una luz testigo del del aceite aceite lo sería de calibre de atribut atr ibutos. os. E En n eeste ste segundo caso caso y como característic caracter ísticaa de los calibres de de atrib atributos utos cuando se enciende la luz no se sabe cuánto val valee realmente la presión sino simple simple mente que su valor es incorrecto. En la industria el término medida, o medición se acepta generalmente para de signar el acto de inspeccionar por variabl variables es mientras que calibrado se reserva para men or que la establecida establecida el de determinar si una medida o característica es mayor o menor o bien cae dentro de unos márgenes de aceptabilidad. a inspección por variables general al más larga y costosa que la inspecci inspección ón por atributos pero facil facilita ita más es en gener información ya que permite conocer el valor de una característica en un sistema de unidades universalmente aceptado.

UNID DES DE MEDID

Lass cuat La cuatro ro magnitudes principales de de las que dependen todas las demás son la longicuatro en unión de dell ampere y la cantud, el tiempo la masa y la temperatura. Estas cuatro proporcionan ionan tal como se muestra en la figura 16-1 la base de de todas tod as las demás dela, proporc unidades de medida. En la mayoría de las mediciones mecánicas intervienep combi naciones de· masa longitud longit ud y tiempo; aasí sí el newton que es la unidad de fuerza se deduce de la segunda ley del movimiento de Newton F m a y se define como la fuerza capaz de comunicar una aceleración de un metro por segundo cada segundo a una masa de un kilogramo. La figura 16-1 está en unidades SI. Mediciones lineales Cuando el hombre buscó por primera vez una unidad de lon

gitud se fijó en partes part es de su cuerpo principalm princ ipalmente ente manos brazos o pies. pies. Pero éstas

no resultaban muy satisfactorias pues ssu u tamaño tam año no era desde desde luego universalment universalmentee uniforme. unif orme. Una U na medición y una calibración satisfactorias deben basarse en un patrón pat rón

 

Unidades SI Unidades fundamentales

Unidades derivadas

Metro

Longitud

Masa

Tiempo

orriente

eléctrica

i'otencial eléctrico 1

1

Temperatura termodinámica S i e m e n s 0 1/U

Intensidad luminosa

Conductancia eléctrica

1

1

Las lineas continuas indican multiplicación Las lineas discontinuas indican división

lm m 2  

1 1 1 1 1 1 2

~ J

1

Ángulo plano

Ángulo sólido

FIGURA 16-1 Relaciones entre entre magnitude magnitudess fundamentales y derivadas en el sistema SI. (De NBS Technical Note 938, National Bureau o Standards Washington D.C. 5 3

 

5 4

etrología y verificación

o patrones, fiables y preferiblemente universales. Esto no fue siempre así. Por ejem plo, aunque las piezas de mosquete que construyera Eli Whitney en su taller fueran intercambiabl interca mbiables es entre ellas ellas,, no lo eran con las las construidas cons truidas por otro o tro fabricante de ar mas de la misma época a partir de los mism os planos planos porque los dos armeros traba jaban con reg reglas las diferentes. Actualmente, todo el mundo industrializado ha adopta do el metro internacional como patrón para medir longitudes. En 1960 se redefinió ofiCialmente ofiCialm ente como 1650763,73 veces la longitud de onda de la radiación rojo-naranja emitida por el criptón 86 excitado eléctricamente. El criptón crip tón es un gas raro en la at mósfera terrestre.) Oficialmente, los países de habla inglesa se han comprometido a adoptar adop tar el sis sis tema internacional de unidades SI), en l que se expresan prácticamente todas las cotas de fabricación en milímetros. En tales países continúa prácticamente vigente su tradicional sistema de unidades de longitud basado en la yarda y posiblemente tal situación persista durante algún tiempo. Recordemos Recordemos por po r ello que una yarda equi vale a 0,9144 metros 1, con conten tenien iendo do tres pies 0,3048 0,3048 m cada una, y cada pie, doce pulgadas 25,4 25,4 mm); mm); de tal modo que una yarda contiene 36 pulgadas.

Bloques de calibrado Los bloqu bloques es de calibrado calibrado proporc proporcionan ionan a la industria industri a los los pa

trones de longitud de alta precisión de uso cotidiano en todos los establecimientos fabriles. Son pequeños bloques de acero, normalmente de sección rectangular, con dos superficies muy planas y paralelas separadas unas distancias especificadas con gran certeza. Se deben al sueco Carl E. Johansson, quien los concibió poco antes de 1900, razón por la cual suelen conocerse como cala calass Johansson. También se cono cen frecuentemente, aludiendo a su forma, con el nombre de calibres prismáticos. Hacia 1911, consiguió producir juegos de ellas a escala muy limitada, y entraron en uso restringido, aunque importante, durante la 1 Guerra Mundial. Poco después de ésta, Henry Ford se dió cuenta de la importancia que revestiría l hecho de disponer de calas Johansson de manera generalizada, por lo cual dispuso lo necesario para que Johansson se trasladara a los Estados Unidos, donde con los medios puestos a su disposición por Ford Motor Company desarrolló los métodos para producir jue gos de bloques de calibrado a gran escala. escala. Como resultado de de ello ello,, aproximadamente a proximadamente desde 1940, se producen calas Johansson de excelente calidad tanto en Estados Uni dos como en otros países. hacerse de acero aleado, te templado mplado y tratado tér tér Los bloques de calibrado suelen hacerse micamente para provocar su «maduración» y alivio de tensiones internas para redu cir a un mínimo las variaciones dimensionales. Algunos se hacen totalmente de car buros, de cromo o de wolframio, para dotarlos de mayor resistencia al desgaste. Las caras de medición se rectifican p r abrasión hasta ha sta la medida deseada desea da y luego luego se lapi dan para reducir el bloque a la medida final y dejar una superficie perfectamente planeada y lisa. Entre la yarda patrón americana y la británica existe una diferencia del orden de las diezmilésimas. El valor indicado es el admitido universalmente como yarda industr industrial. ial. l

 

Metrología y verificación

5 5

Las calas Johansso Johan sson n suelen suelen construirse de de modo que cumplan las las normas nor mas oficia

les correspondientes. En Norteamérica, las especificaciones federales GGG-G-15a y l5b establecen las calidades 1 2 y 3 cuyas precisiones son: 15a pulgadas)

Grado

15b milímetros)

1 Laboratorio)

±0.000,002

±0.000 05

2 Precisión)

+0.000,004 -0.000,002

+0.000 10 -0. 000 05

3 Trabajo)

+0.000,008 -0.000,004

+0.000 20 -0. 000 10

Para las calas de hasta una pulgada de longitud las cifras reseñadas son precisiones absolutas, mientras que para las de mayor longitud las cifras reseñadas son toleran cias por pulgada. Algunas firmas suministran calas de calidad AA, equivalente al grado 1 con calidad A+, para cumplir con el grado 2. Las calas de grado 1 laboratorio) se emplean para comprobar y calibrar las ca las de los otros grados. Las de grado 2 precisión) se emplean para comprobar co mprobar cali cali bres patrón y las calas de grado 3. Las calas de grado 3 (B ode trabajo) se emplean paraa verificar par verificar instrumentos de medida rutinarios, tales tales como micrómetros, micrómetros, o en ope raciones prácticas de calibrado. Las dimensiones de cada bloque se establecen por métodos de interferometría óptica, merced a los cuales es posib posible le tararlos rutinariamente rutina riamente con una incertidumbr incertidumbree de tan sólo una parte por millón. Las cal calas as Johansson Johansso n se encuentran habitualmente en juegos compuestos de dis tintos números de diferentes medidas, como el de la figura 16-2. Combinándolas de maneras diversas, tal como se muestra en la figura 16-3 puede materializarse a vo luntad cualquier medida. Como ejemplo, hay un fabricante que ofrece un juego en medidas británicas formado por 81 bloques y otro en medidas métricas, métricas, formado forma do por p or 88 bloques, cuyas composiciones son las siguientes: Británico Serie

0.0001 pulg.

Métrico

Número de bloqu bloques es Campo( )

9

0.001 pulg. 49 0.050 pulg. 19 1.000 pulg. 4

O

Serie

1001-0. 10010. 1009 1009

0.101-0. 149 0.050-0.950

1.000-4.000

Número de bloques Campo mm)

2 0.001 mm 0.01 mm 0.5 mm 10 mm

·

9

49 18 10

0.5 1.0005 l. 00 1-l. 009 1.01-1.49

1.0-9. 5 10-120

 

Metrología

5 6

verificación

Juego de calas calas métricas formado por 88 unidad unidades. es. Cortesía de DoALL Company.)

FIGURA 16 2.

FIGURA 16 3.

Reunión de siete calas Company.) para materializar una longitud determinada. Cortesía de DoALL

 

Metrología y verificación

5 7

Reunión de calas sobre un soporte especial combinadas con un comparador compara dor de esfeesfeformando un instrumento de precisión Corter sía de DoALL Company) FIGURA 16 4.

Las 81 calas del sistema británico d n más de 120000 combinaciones en incrementos de 0,10 0,1001 01 , a partir de 0,0001 has hasta ta más de 25 . Cu Cuan ando do la lass calas se unen entre ellas (desli deslizándol zándolas as una un a sobre otra apretando) apretando ) se adhieren fuertemente y no deben dejarse en contacto durante períodos la largos rgos.. _ Pueden adquirirse calas Johansson en versiones diversas: en serie fraccionaria, en serie serie para produ productos ctos finos, ppara ara esquinas, et etc. c.,, de modo que pueden materializarse patrones de gran precisión trazado para casiy todas las necesidades. Además, acceso rios diversos de fijación, de apoyo que posibilitan montarexisten instrumentos de calibrado de mucha precisión, tal como el de la figura 16 4. Una variante muy interesante de las calas Johansson la constituye el instrumen to de la figura 16 5. Éste se se compone de una un a colum columna na de calas calas de una un a pulgada, per manentemente unidas y dispuestas al tresbolillo, de modo tal que la columna com pleta puede ser elevada o bajada mediante un tornillo micrométrico graduado a precisión. precisió n. La altura sobr sobree la base de cada intervalo de cala se representa digitalmente digitalmente en incrementos de 0,001 y en la esfera esfera micrométrica en incrementos de 0,00 0,0001 01 . Para P ara realizar mediciones verticales de precisión, estos instrumentos son muy útiles en com binación con los de tipo comparador de los que hablaremos más adelante. Temperatura de medición norm alizada normali zada Dado que a todos metales los comúnmente se hanlos utilizados les afecta dimensionalmente la temperatura, adoptado 20°C co-

 

5 8

Metrología y verificación

FIGURA 16 5. Escala e alturas digital L S Starrettt Company.)

Cortesía de

mo temperatura normalizada a l que realizar las medidas de precisión. A dicha temperatura perat ura deben tararse todas llas as calas Johansson cali calibre bress galg galgas as y demás útiles útiles e instrumentos instrume ntos d dee medida. Por tanto cua cuando ndo haya de medirse con un precisión superior a 0 0025 mm l operación debe efectuarse en un habitación cuya temperatura estéé contr est controla olada da al val valor or normalizado. i bien es verd verdad ad hasta cier cierto to punto que tan to la pieza como el instrumentos de medi medida da o calibr calibrado ado pueden ser afectados aproximadamente igual por las variaciones variaciones de temperatura no hay que confiar confi ar en eell llo. o. Las mediciones hasta 0 0025 mm no son aceptables si la temperatura se p rt mucho de los 20°C. Ajustes. La precisión con que debe especificarse y construirse un pieza determinad es muchas veces función del modo en que la misma h de trabajar traba jar respecto a otras piezas. Si sólo es necesario que u n pieza esté siempre siempre ajusta aju stada da dentro de otra poco importará que la medida de l pieza más más peq ueña var varíe íe notoriamente en tant tanto o que su medida máxima sea siempre menor que la medida interior de la pieza en la que embargo go si la pieza pequeña peque ña ha de rotar suaveme suavemente nte dentro de la grande se aloja. Sin embar a velocidades velocidades ele elevadas vadas con un mí mínimo nimo de vibración tal como oc ocurre urre en lo loss cojinetes de bolas rápidos debe prestarse un atención considerablemente mayor a la especifi-

cación y control de las dimensiones. Así l función contro controla la la especificación especificación de las medidas que determinan de qué modo ajustan las piezas.

 

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Para establecer el ajuste deseado entre dos piezas coincidentes deben especificarse dos valores: el jue juego go y la tolerancia. El juego es el valor que se d a intencionadamente a la diferencia entre las dimensiones de ambas piezas; o sea, la diferencia entre la medida de la pieza interna mayor (eje o macho) y la de la pieza externa menor (agujero o hembra). De ese modo queda establecido cuál es el estado de máximo en en-caje entre las dos piezas en en contacto. El ju juego ego pu puede ede especificarse especificarse de modo mo do que qu e entre las piezas haya huelgo o haya apriete (también llamado interferencia . En los ajustes con huelgo, el eje, o macho, mayor es menor que el agujero, o hembra, menor, mientras que en los ajustes con apriete, o forzados, el agujero es menor que el eje. La tolerancia es un unaa desviac desviación ión indeseada, pero admisible, admisible, respecto a una un a medimedida buscada bu scada y que reconoce llaa imposibilidad de construir una un a pieza pieza exactamente con las dimensiones especificadas, si no es po porr casualidad, y que tal cosa no es necesaria ni económica. Por tanto, se hace necesario necesario per permitir mitir q que ue la medida medid a real se desvíe levemente de la establecida teóricamente y controlar el grado de desviación desviación de modo que se asegure todavía el funcionamiento satisfactorio de las piezas. Una tolerancia puede pue de especi especificars ficarsee de dos maneras. La tolerancia bilateral se esestablece en forma de una desviación en más o menos respec respecto to a la dimensión, o cota, nominal; por po r ejemplo, 50,0 50,0 0, 0,05 05 mm. La práctica mod modern ernaa hace uso del sistema unilateral y establece la desviación en un sentido a partir de la dimensión nominal; así, 50 8

0,1

-0 0

primer caso, de tolerancia bilateral, la medida en cuestión podría variar entre 49,9 49 ,95 5 mm m m y 50,0 50,05 5 mm, con una tolerancia to lerancia tota totall de 0 1 mm. En el caso de la tolerancia unilateral, la medida variaría entre 50,0 mm y 50 10 mm, con una tolerancia total de 0 10 mm también. Es evidente que, para conseguir las mismas dimensiones máxima y mínima con ambos sistemas, deben emplearse dimensiones nominales diferentes. tes. La Lass dimensiones máxima máxim a y míni mínima ma resultantes de aplicar la tolerancia asi asignada gnada

En el

reciben el nombre de cotas límites. Es imposible establecer normas rígidas en cuanto al juego a dar al ajuste entre dos piezas; es una decisión que debe tomar el proyectista en base a la consideración del modo en que.han de funcionar. El American National Standards Institute, Inc., (ANSI) ha establecido ocho clases de ajuste que sirven como pautas de referencia para espec especific ificar ar el jueg juego o y la tolerancia sin más que citar cit ar eell tipo de ajuste. Esas ocho clases de ajuste son: Clase J juste holgado. Much Mucho o juego juego.. Para Par a cas casos os en que la precis precisión ión no es fundamental. Clase 2 juste suave. Juego generoso. Para ajustes entre piezas rotatorias que giren a más de 600 rpm con presiones superiores a los 40 kp/cm2 • Clase 3 juste no apretado. Juego moderado. Para ajustes entre piezas rotatorias que giren a menos de 600 rpm con presiones inferiores a 40 pl m 2 y para ajusajustes deslizantes.

 

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Clase 4 juste sin huelgo Juego nulo. Para los casos en que no deben haber movimiento movimient o alguno bajo ba jo car carga ga ni se desean sacudidas. Es el ajuste más firme que puede lograrse a mano. Juego o entre n nulo ulo y negati negativo. vo. Los con conjunt juntos os son selec selecti ti Clase 5 juste apretado Jueg vos y no intercambiables. juste forzado Juego ligeramente negativo. Es un ajuste con apriete Clase 6 paraa los casos en que las piezas o deben separarse durante el servici par servicio o ni desarmarse desar marse nunca o sólo muy raramente. Para eeste ste montaje mont aje se requiere una leve presión. No es apto para p ara agua aguanta ntarr ca cargas rgas fuertes fuertes sólo mu muy y liger ligeras. as. Clase 7 juste sua suave ve a presió presión n Ajuste con apriete que requier requieree u una na presión con siderable sidera ble para pa ra su montaje mon taje y que de ordinario se real realiza iza calentando el miembr miembro o exter exter no o enfriando el interno pa ra dilata dilatarlo rlo o contraerlo contraer lo re respec spectiva tivament mente. e. Se emplea pa ra unir ruedas dentadas poleas platos de manivela manivela etc. etc. a los ejes ejes y árboles de transmisión. Es el ajuste con mayor apriete que puede darse a miembros externos de fundición férrea. Clase 8 justes a gran apriete o por contracción Juego negativo considerable. Se emplea para uniones fijas de elementos de acero. Los juegos y tolerancias asociados a estas clases de ajuste se determinan de acuerdo con las relaciones teóricas que se reseñan en la tabla 16-l. Los valores prácticos que de ellas resultan para una vasta gama de cotas nominales pueden encontrarse en las tablas contenidas en los textos de dibujo industrial y de diseño de máquinas. En el sistema ANSI la medida que se considera básica es la del agujero pues la mayoría de éstos se producen con brocas y escariadores de medidas normalizadas. El miembro miembro iinterno nterno o eje eje puede construirse sin sin dificultad a cualquier medida. medida. En tonces el juego y la tolerancia se aplican a la medida nominal del agujero para deter minai min ai llas as cotas límite límitess de ambas partes. Por ejempl ejemplo o para par a un agujero aguj ero nominal de 50 mm y un ajuste de clase 3 las dimensiones serían:

Juego: Tolerancia Agujero Máximo Mínimo Eje: Máximo Mínimo

0 036 mm 0 025 mm

50 825 mm 50 800

50 764 mm 50 739

Debe advertirse que p para ara lo loss ajustes tanto tan to con huelgo como con apriete las toleran cias admitidas tienden a producir ajustes más holgados.

 

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TABLA 16-1 Juegos y tolerancias ANSI expresados en milímetros Clase de ajuste

Juego

u 0,0014 u o/ 0009 u

Apriete medio

0,0025 2 3 4

Tolerancia en el agujero O¡D025

o

Vfd

Tolerancia en el eje -Op025

W

0,0013 V d

-0,0013 V d

0,0008 V d

-0,0008 V d

0,0006 V d

-0,0004 V d

5

o

0,00 06 V d

0,0004 V d

6

0,00025d

o 0006 .;y;¡

o 0006

7

0,0005d

0,0006 V d

0,0006 V d

8

O,OOid

0,0006 V d

0,0006

El Sistema ISO de Tolerancias y

.;y;¡

w

justes se emplea con preferencia en la ma

yoría de los los países paísesque indus industrializad trializados osacabamos adictosos al de sistema métrico y essistema, considerablemente más complicado el ANSI que acabam ex expone poner. r. En este sist ema, a ca cada da pie pie za se le asigna una medida nominal. Entonces, los límites superior e inferior entre los que puede variar la dimensión real se define definen n po porr su desviación respecto a la nomi nal, cuyo valor y signo se obtienen restando ésta de cada límite en cuestión. La dife rencia entre los límites de medida de cada pieza recibe el nombre de campo de tolerancia que es un valor absoluto desprovisto de signo. Estas definiciones se aclaran en la figura 16-6.

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

2. Este sistema y las tablas necesarias para su utilización se exponen en la publicación de la ISO R2861962, System o f Limits and Fits.

 

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Eje

Agujero

ínea cero

Eje Ajuste Ajust e con huelgo

Ajuste Ajuste Incierto con huelgo Ejemplos de ajuste basados en el agujero

Ajuste incierto

Ejemplos de ajuste basados en el eje

Ajuste con apriete

Especificación de ajustes con base en el eje o con base en el agujero en el sistema ISO. Con permiso; de la recomendación ISO R2861962, copyright del American National Standards lnstitute New York. FIGURA 16 7.

En el sistema ISO se admiten tres clases de ajuste: 1) ajuste con huelgo 2) ajuste incierto el con conjun junto to puede presentar huelgo o apriet apriete) e) y 3) ajuste con apriete o

interferencia .

Tal como se muestra en la figura 16-7, puede emplearse un sistema basado en u na medida nominal dada, dada , puede espe espe el eje o un sistema basado en el agujero. Para una cificarse tod una gama de campos de tolerancias y desviaciones respecto a la línea de desviación nula, llamada línea cero. El campo de tolerancia es función de la medi da nominal y se designa mediante un número simbólico, llamado grado o calidad de tolerancia. La posición del del cam campo po de tolerancia con relación relación a la línea cero cero que es también función fun ción de la medida nominal) se representa mediante una letra o dos), mayúscula para los agujeros y minúscula minúscu la pa para ra los ejes ejes,, tal como se ilustra en la figura 16-8 3 • Así, la especificación de un agujero y eje con una un a medida nominal de 45 mm podría ser 45 H8/g7. Se han acordado dieciocho grados de tolerancia, denominados IT 01, IT O IT l-16, que dan da n valore valoress nominales par paraa cad cadaa diámetro nominal en intervalo intervaloss arbitrarios 6-10, hasta hast a llos os 500 mm polos r ejemplo 0-3, .. .... , 400400-500 500 mm). mm). El valor de la unid un idad ad i parapor de tolerancia grados 053,a 3-6, 16 es i

=

0.45

O.OOID

donde i se expresa en micras y D en milímetros. Existen asimismo conjuntos de fórmulas que dan las desviaciones normalizadas en eje ejess y agujeros. Sin embargo, pa para ra su aplicación práctica, tan tanto to los campos de to lerancia como las desviaciones se reseñan en tres conjuntos de tablas no sencillas. Para los diámetros superiores a los 500 500 mm hay tablas suplementarias y también pa para ra los «Ejes y Agujeros de Uso Ordinario», éstas divididas e¡;¡. dos categorías, «Aplica ción General» y «Mecanismos de Precisión y Relojería>>. 3. Obsérvese que la en el sistema ISO coincide esencialmente con el «juego» del sistema ANSI.

 

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5

AGUJEROS

as iii

o a S

·O

Q

o

Uneacero -¡¡¡ S

E o

S

as

:2

O

Q

:E

•

1 FIGURA 16 8.

Posiciones de los distintos campos cam pos de tolerancia toleranc ia para un diádiá-

metro dado en el sistema ISO Con permiso; de la recomendación ISO R286-1962, Sistema de Tolerancias y Aju Ajustes stes,, c copyright opyright 1962 del American National Standards lnstitute, New York.

 

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5 4

Visto que en el sistema ANSI, de la tabla 16-1, los juegos tolerancias pueden expres exp resars arsee ta tanto nto en pulgadas como en milímetros, milímetros, pa para ra aco acotar tar planos métricos puede emplearse dicho sistema, relativamente sencillo frente al más complejo sistema ISO.

PROCEDIMIENTOS DE VERIFIC CIÓN El ámbito de la metrología, aún limitado a las mediciones dimensionales, resulta ex cesivamente extenso para que pueda ser abarcado aquí y, por tanto, lo que resta de capítulo se centra centrará rá en llas as medidas de longitud el instrumental necesario. Evidentemente, la diferenciación entre la verificación de producción el calibrado ha ido perdiendo importancia import ancia conf conforme orme ha n adquirido adqu irido predominio las ex exige igenci ncias as de mecanizamecanizados de precisión precisión.. Esta Est a tendencia hacia unas tolerancias más estrictas, estrictas, y hacia una un a mayor fiabilidad en la medición de las mismas, h a intensificado en gran cant cantidad idad la necesi necesi-dad de métodos de medición de precisión. En la tabla 16-2 se resumen los métodos de verificación, citando los cuatro tipos básicos de dispositivos que pueden utilizarse: neumáticos, ópticos luminosos ele elecctrónicos), electrónicos y mecán mecánicos. icos. A esta tabla ta bla sig sigue ue una exposición de los factores factores a tener en cuenta cuent a al elegir inst instrume rumental ntal de medida medida.. La mayoría de las empresas disponen, como mínimo, de comparadores para bloques de calibrado, planos ópticos, un supermicrómetro acaso, acaso, un instrumento instr umento p para ara medir longitud longitudes es y un compara comparador dor óptico de proyección unidos a un juego de bloques AA y un interferómetro de láser. Asimis Asi mismo, mo, puede ser importante important e algún instrumen instrumento to para medir acabados superficiales o perfiles superficiales.

de instrumentos de verificación

una fiabilidad ma mayoyores de los bienes de consumo y producción requiere mayores precisión y exactitud en Selección

na calidad

las operaciones de fabricación y una verificación mejor y más rápida. Los instrumentos de verificación pueden integrarse en el proceso y, a menudo, estan asistidos por ordenador, abriendo así así la posibilidad para retorna retornarr feedback) feedback) informac información ión captad cap tadaa durante el proceso, o a la salida de éste, al ordenador de mando de la máquina. Además de esta verificación en el pro proces ceso, o, las materias primas ha hay y que comprobarlas jjun unto to con los productos terminados. En general, son seis los factores a considerar cuando se elige instrumental para realizar una labor de verificación mediante técnicas de medición. l

El aparato de medida o calibre de fabricación) debe ser diez veces más preciso que la toleranc tole rancia ia a med medir. ir. De hecho hecho,, esta regla es aplicable, tal como se indica en la figura 16-9, a todas las etapas de la secuencia de inspección. El egla

el

JO

calibre maestro debe tener una precisión diez veces mayor que el instrumento de verificación. Y, análogamente, la l a precis precisión ión de dell pat patrón rón de refe referenci renciaa con el que se