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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD TICOMÁN

PROTOTIPO DE UN RIN DE

MATERIALES COMPUESTOS Y

ALUMINIO

PROYECTO TERMINAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN AERONÁUTICA

PRESENTAN:

ISRAEL FERNANDO BARAJAS AMBRIZ EDUARDO GONZÁLEZ HERNÁNDEZ JESÚS HERNÁN SOLANO RAMOS EDGAR ERNESTO VILLEGAS MORENO

DIRIGIDA POR:

M. en C. ARMANDO OROPEZA OSORNIO

MÉXICO, D.F. SEPTIEMBRE DEL 2013

Ingeniería Aeronáutica Página 3

AGRADECIMIENTOS

A mi madre Alma Delia Moreno Torres, quien con su ejemplo me ha dado la capacidad de enfrentarme a la vida enfrentando cada decisión.

A mi padre Víctor Manuel Villegas Edgar, por sus enseñanzas que ahora me tienen en donde estoy.

A Georgina Alejandra Parada García, por su apoyo incondicional en todo momento.

A mi equipo de este proyecto, por toda su aportación y apoyo que me brindaron.

Al M. en C. Armando Oropeza, director del proyecto, por su apoyo y asesoramiento en todo momento.

Al Técnico Jesús Villegas Velázquez, docente de la academia de fundición, quien nos enseñó cómo realizar el proceso completo de fundición.

Al Ing. Roberto Reyes García, presidente de la academia de manufactura, quien nos brindó su ayuda para hacer uso de los laboratorios de ESIME Azcapotzalco.

A Emanuel Cabrera Rodríguez, docente de la academia de manufactura y procesos, quien nos brindó su apoyo y conocimiento.

EDGAR ERNESTO VILLEGAS MORENO


Para el presente trabajo de tesina, primeramente me gustaría agradecerte a ti Dios, por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque gracias a ti me permitiste culminar esta meta. Le doy gracias de manera muy especial y con profundo agradecimiento a mi madre Magdalena Ambriz por ser el pilar más importante en mi vida y por demostrarme siempre su amor, cariño y apoyo incondicional en los buenos y malos momentos; Porque sin escatimar esfuerzo alguno, ha sacrificado gran parte de su vida para formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores; gracias a su ejemplo y las ganas de perseverar, para seguir adelante en la vida. Nunca podré pagar todos tus desvelos, preocupaciones ni aun con las riquezas más grandes del mundo. A mis Abuelitos Eligio Ambriz e Irma Martínez por hacerme siempre sentir parte de sus hijos, brindándome sus consejos, experiencias de la vida e inculcándome prudencia, y siempre mirar hacia adelante, nunca olvidando que entre uno es más grande, siempre se debe ser más pequeño con sus semejantes. Mi familia Carlos, José Luis, Mayra, Tíos y Primos ya que me demostraron que la unión familiar y el estar siempre en las buenas y malas apoyándonos unos con otros son parte fundamental de cualquier triunfo. A Chiquito que siempre estuvo en todos mis desvelos dándome alegrías como un amigo incondicional y leal, que a pesar de nunca haber conversado me demostró ese cariño y amor sin esperar nada a cambio. Te adelantaste pero eres y serás siempre parte de mi vida. A mi Padre que a pesar de su lejanía y diversas circunstancias le doy gracias, porque sin él no hubiera existido. A mis compañeros de Tesina Edgar, Jesús y Eduardo por su apoyo, conocimientos y dedicación ya que hicieron de esta experiencia una de las más importantes. A nuestro asesor de proyecto M. en C Armando Oropeza, y demás profesores que nos ayudaron en la elaboración de este proyecto Emanuel Cabrera Rodríguez, Técnico Jesús Villegas Velázquez, Ing. Roberto Reyes García, Marcelino y Don Ramón. Al Instituto Politécnico Nacional por darme la oportunidad de estudiar y ser un profesional. A Uriel, Ernesto, Alan, Juan, Norma, Rene, Pablo, Ricardo, Jesús, Abraham, Rafa, Gerardo, Aldair, Martin, Kalef, son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional, a las que me encantaría agradecer su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los momentos más difíciles de mi vida. Algunas están aquí conmigo y otras en mis recuerdos y en mi corazón, sin importar en donde estén quiero darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que me han brindado y por todas sus bendiciones. Para ellos: Muchas gracias y que Dios los bendiga.

ISRAEL FERNANDO BARAJAS AMBRIZ


Este proyecto lo dedico a Dios por darme la oportunidad de tener una familia con mucho amor, por bríndame la salud para alcanzar esta meta y por poner en mi camino a las personas correctas en el lugar indicado. A mi madre Claudia Por el inmenso amor que me tiene, por siempre inculcarme valores y ser el pilar de mi vida y formación como ser humano. Su partida me hizo siempre más fuerte. A mi padre Hernán Por ser el hombre más importante en mi vida, por esas palabras de paciencia cuando sentía perder dirección y por ser el amigo con el que cuento en todo momento. A mi familia A mis hermanos Miguel y César porque tal vez no lo saben pero son mi motor más grande. A mi abuela María por siempre recibirme con los brazos abiertos en la casa de todos. Con profundo cariño a mi tía Martha por ser la líder de la familia Ramos, por demostrarme con el ejemplo lo que es ser un buen ser humano. Con admiración a mis tíos Romelia y Armando, por su cariño, por ser guías en mí desarrollo y por ser muestra de unidad y amor. A cada integrante de la familia Solano y Ramos, por el apoyo de cada uno de ustedes. A DIZARC y Armando Vergara Por abrirme las puertas de su casa, recibirme como un hijo más en la familia y compartir las mejores experiencias. Por mostrarme a cada paso lealtad, compromiso y amor al trabajo. A Erandy y familia Con gran amor por ser la mujer que me acompaño en los mejores y más difíciles momentos. A su familia por brindarme su apoyo y cariño incondicional. A Edgar, Eduardo y Fernando Por el gran compromiso que tuvieron para afrontar cada reto que implico este proyecto.

JESUS HERNÁN SOLANO RAMOS


Al Instituto Politécnico Nacional, en particular a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán, por permitirme la oportunidad de ser parte de esta institución y adquirir las herramientas para desarrollarme de manera profesional.

Agradeciendo de manera especial a mi familia mi papá y mi mamá, les agradezco por todo su apoyo incondicional que me han dado a lo largo de toda mi vida, por estar cuando los he necesitado, por todas las enseñas que me han brindado, siempre guiándome para alcanzar mis metas. Siendo ejemplo de vida y lucha, los quiero.

A mi hermana Mariana, gracias por aceptarme como soy, por cuidarme y aguantarme durante estos años, por tu confianza y apoyo incondicional, eres una persona maravillosa, al igual que nuestros padres, eres un ejemplo de lucha, ya que has conseguido lo que te has propuesto siempre, gracias por ser mi amiga y compañera de travesuras no creo que haya una mejor hermana que tú, estoy orgulloso de ti siempre podrás contar conmigo.

A mis compañeros y amigos, que me acompañaron durante esta carrera apoyando y motivándonos entre nosotros, en particular durante el desarrollo de este trabajo a mis compañeros Edgar Villegas, Fernando Barajas y Jesús Solano, les agradezco que me hayan permitido trabajar con ustedes, permitiéndome conocerlos , por su apoyo y regaños esas platicas motivacionales para concluir este trabajo de manera satisfactoria.

A cada una de las personas que he conocido y que han sido parte de mi vida, ya que gracias a todos he aprendido y forman parte de lo que ahora soy. Gracias a todos por todo.

EDUARDO GONZÁLEZ HERNÁNDEZ


ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. 3

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ 9

LISTA DE TABLAS ................................................................................................ 11

RESUMEN ............................................................................................................. 12

ABSTRACT ............................................................................................................ 14

OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 16

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 16

ALCANCE .............................................................................................................. 16

JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 17

ESTADO DEL ARTE .............................................................................................. 18

CAPÍTULO I: EL RIN Y SU FUNCIONAMIENTO EN AUTOMÓVILES .................. 20

La rueda ............................................................................................................. 20

Llanta: ................................................................................................................ 20

Clasificación ....................................................................................................... 21

Secciones del Rin ............................................................................................... 23

Prototipo de RIN con materiales compuestos y Aluminio. .................................. 28

CAPÍTULO II: NORMAS Y ORGANISMOS DE CERTIFICACIÓN ......................... 29

Certificación Alemana TUV. ............................................................................... 29

Certificación Japonesa JWL. .............................................................................. 30

Normas Mexicanas ............................................................................................. 30

Especificaciones de la NMX-D-136-CT-1988 ..................................................... 31

CAPÍTULO III: PROCESOS DE MANUFACTURA MÁS UTILIZADOS PARA FABRICAR RINES ................................................................................................. 32

Proceso de forjado ............................................................................................. 32

Fundición por Gravedad ..................................................................................... 33

CAPÍTULO IV: MATERIALES COMPUESTOS ...................................................... 35

Material compuesto: Diagrama conceptual ........................................................ 40

Proceso de Bolsa de vacío ................................................................................. 41

Diagrama de flujo del proceso ............................................................................ 43

CAPÍTULO V: GD&T .............................................................................................. 44


CAPÍTULO VI: MAQUINADO................................................................................. 45

Torno .................................................................................................................. 45

Velocidad de corte .............................................................................................. 46

Fresadora ........................................................................................................... 48

CAPÍTULO VI: PLANEACIÓN DEL PROCESO ..................................................... 51

Identificación del cliente ..................................................................................... 51

Determinación de los requerimientos del cliente ................................................ 51

Importancia relativa de los requerimientos del cliente ........................................ 52

Benchmarking .................................................................................................... 53

Requerimientos en términos mesurables ........................................................... 53

Evaluaciones de la importancia .......................................................................... 54

Matriz de correlaciones ...................................................................................... 55

Fabricación del aro ............................................................................................. 56

Manufactura del centro ....................................................................................... 64

Fundición ............................................................................................................ 66

Maquinado.......................................................................................................... 73

CONCLUSIONES .................................................................................................. 96

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 98


LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Rin fabricado por Wheelsandmore .......................................................... 18 Figura 2 Rin CR9 fabricado por Carbon Revolution ............................................... 19 Figura 3 Fuerzas, momentos y grados de libertad de una llanta según ISO 8855 22

Figura 4 Barrenado ................................................................................................ 23 Figura 5 Agujero de la válvula................................................................................ 24 Figura 6 Asiento de la caja de la llanta .................................................................. 24 Figura 7 Ceja del aro ............................................................................................. 25 Figura 8 Canal ....................................................................................................... 25

Figura 9 Rin ........................................................................................................... 26

Figura 10 Desplazamiento positivo ........................................................................ 26 Figura 11 Desplazamiento negativo ....................................................................... 27

Figura 12 Desplazamiento cero ............................................................................. 27

Figura 13 Diagrama de flujo del proceso de forja .................................................. 33 Figura 14 Diagrama de flujo del proceso de fundición por gravedad ..................... 34

Figura 15 Formas físicas posibles de las fases incorporadas en materiales compuestos. a) Fibra b) Partícula c) Hojuela ................................................... 38 Figura 16 Orientación de las fibras en materiales compuestos a) Unidimensional y fibras continua b) Fibras continuas en forma de malla c) aleatoria ........................ 38 Figura 17 Diagrama conceptual de materiales compuestos .................................. 40

Figura 18 Representación del proceso de bolsa de vacío ..................................... 42 Figura 19 Diagrama de flujo del proceso de bolsa de vacío .................................. 43

Figura 20 Torno y sus partes ................................................................................. 45 Figura 21 Fresadora Hartford LG-1800 .................................................................. 49

Figura 22 Vista explotada del modelo. Véase plano de vista explotada ................ 56 Figura 23 Rin de Honda Civic 2006 limpio ............................................................. 57 Figura 24 Pestañas auxiliares en el perímetro de cada lado del aro ..................... 57

Figura 25 Pestañas laterales ................................................................................. 57 Figura 26 Mitad donde se aplica cera desmoldante y película separadora ........... 58

Figura 27 Mezcla, impregnación y secado de gel-coat .......................................... 58 Figura 28 Aplicación de laminados ........................................................................ 59 Figura 29 Molde terminado .................................................................................... 59 Figura 30 Se observa cómo se aplica la cinta doble cara, la cual en uno de los lados se colocan dos tiras para poder pegar la manguera espiral, a su vez tiene apiladas dos capas de fibra de carbón y una de manta moldeable ....................... 61 Figura 31 Se termina de apilar los laminados y se agrega tela de acabado .......... 61

Figura 32 Se recorta la malla distribuidora para agregarla al laminado ................. 62 Figura 33 Bolsa con pliegues, manguera para vacío y manguera para infusión .... 62 Figura 34 Resina impregnándose en el laminado .................................................. 63 Figura 35 Prototipo de fibra de carbón terminado .................................................. 63 Figura 36 Modelo de cera ...................................................................................... 66

Figura 37 Mezcla de la arena ................................................................................ 67 Figura 38 Modelo debajo de la caja hembra, al cual se le aplica polvo separador 67


Figura 39 Arena tamizada cubre al modelo ........................................................... 68 Figura 40 Compactación de la arena por las orillas ............................................... 68 Figura 41 Caja hembra rotada 180° ....................................................................... 69 Figura 42 Caja superior ......................................................................................... 69

Figura 43 Caja con bebederos, ductos de alivio y arena compactada ................... 70 Figura 44 Caja macho y hembra ............................................................................ 70 Figura 45 Alimentando al horno con lingotes de aluminio ...................................... 71 Figura 46 Vaciado de Aluminio .............................................................................. 71 Figura 47 Materia prima de Aluminio lista para maquinado ................................... 72

Figura 48 Trayectoria de herramienta para operación 60 ...................................... 80 Figura 49 Trayectoria de herramienta para operación 70 ...................................... 80 Figura 50 Trayectoria de herramienta para operación 80 ...................................... 83

Figura 51 Trayectoria de herramienta para operación 90 ...................................... 83 Figura 52 Trayectoria de herramienta para operación 100 .................................... 86 Figura 52 Trayectoria de herramienta para operación 110 .................................... 86

Figura 54 Trayectoria de herramienta para operación 120 .................................... 89 Figura 55 Trayectoria de herramienta para operación 130 .................................... 89 Figura 56 Trayectoria de herramienta para operación 140 .................................... 92

Figura 57 Trayectoria de herramienta para operación 150 .................................... 92 Figura 58 Trayectoria de herramienta para operación 160 .................................... 95


LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Combinaciones posibles de un material compuesto de dos fases ............ 36 Tabla 2 Propiedades mecánicas de materiales fibrosos ........................................ 39

Tabla 3 Materiales necesarios para fabricar el molde del aro ............................... 56 Tabla 4 Materiales necesarios para la fabricación del aro en materiales compuestos ………………………………………………………………………………60 Tabla 5 Hoja de ruta para fundición …………………………………………………..72 Tabla 6 Hoja de ruta para maquinado del centro ................................................... 73 Tabla 7 Listado de herramientas usadas para el maquinado del centro ................ 74

Tabla 8 Lista de operaciones aplicadas al centro del rin ....................................... 75


RESUMEN

En el presente proyecto se desarrolla el proceso de fabricación de un rin prototipo de materiales compuestos y Aluminio para automóvil usando herramientas CAD-CAM, normas de certificación y lenguaje GD&T.

Esta idea nace a raíz de la necesidad de desarrollar un proceso de manufactura donde se apliquen los conocimientos adquiridos durante la carrera profesional y el seminario de manufactura de alta precisión.

En los últimos años los materiales compuestos han ido remplazando componentes de Aluminio y Acero debido a que estos nuevos materiales pueden mejorar las propiedades mecánicas y durabilidad de casi cualquier metal, es por eso que se decide combinar las características de materiales compuestos con metales.

En el marco teórico se encuentra información que describe el comportamiento funcional del rin, además de la ubicación geográfica en México de donde se llevan a cabo distintos métodos de fabricación para rines junto con la descripción de cómo obtener un prototipo. Además se mencionan las normas y organismos de certificación a nivel mundial, haciendo énfasis en las especificaciones que se deben cumplir de acuerdo a la norma mexicana. Posteriormente se describe brevemente los procesos más comunes para fabricar rines de metal.

Así mismo, se explica de manera general, qué es un material compuesto y sus componentes, haciendo énfasis en polímeros termofijos, los tipos de fibras y una breve descripción del proceso de bolsa de vacío.

El funcionamiento tanto del torno y fresadora CNC se explican de manera general, en conjunto con la teoría de corte, lo que es fundamental para determinar los parámetros necesarios en la manufactura del centro del rin.

La planeación comienza con el despliegue de funciones de calidad aplicado a rines deportivos, donde se obtienen todas las características que debe cumplir el diseño; el rin se divide en dos piezas, el aro y el centro, para el diseño del aro se toma como referencia un modelo existente, ya que con base en las medidas nominales del aro se diseña el centro. Se elaboran los planos de detalle y de ensamble que contienen la forma, dimensiones, tolerancias geométricas, la especificación de los materiales, así como el número partes. Por último, se generan las hojas de ruta para la manufactura y planos para cada operación.

La manufactura del rin inicia con la creación del molde en fibra de vidrio a partir de un modelo de rin de 16” Honda Civic 2006, posteriormente se fabrica el aro con el proceso de bolsa de vacío el cual contiene fibra de carbón, fibra de vidrio y un core de espuma de PVC.


Por otra parte, para la manufactura del centro se utiliza el proceso de fundición para generar la pieza a maquinar, en torno convencional mediante los procesos de careado y cilindrado se le dan las dimensiones y acabados deseados, característica elemental para el inicio del proceso de fresadora CNC, donde se le dará la forma final.

Por último se realiza el ensamble del aro con el centro de rin utilizando pernos.


ABSTRACT

The project has the purpose of produce a prototype rim made from aluminum and composite materials by using CAD-CAM tools, certifications, standards and GD & T language.

This idea stems from the need to develop a manufacturing process where apply the knowledge acquired during the professional career and the seminar “High precision manufacturing”.

In recent years composite materials have been replacing aluminum and steel components because these new materials can improve the mechanical properties and durability of almost any metal, which is why it was decided to combine the characteristics of composite materials with metals.

In the theoretical framework, it is found information which describes the functional behavior of the wheel, in addition to the geographical location in Mexico where carries out various manufacturing methods for wheels and also a description of how to get a prototype. Further mentioned standards and certification bodies worldwide, with emphasis on the specifications that must be met according to the Mexican Standard (NOM). Thereafter briefly describes the most common processes for making metal wheels.

Likewise it is explained generally the constitution of a composite material, focusing on thermoset polymers, fiber types and a brief description of the vacuum bag process.

The operation of both CNC lathes and milling machines in general are explained, along with cutting theory, it is essential to determine the necessary parameters in the manufacturing center of the wheel.

The planning begins with the quality function deployment applied to sports wheels, where all the features to meet the design are described, the wheel is divided into two parts, the rim and the center, for the design of the ring is taken as reference an existing model, and that based on the nominal dimensions of the ring is designed the center. Afterwards the detailed and the assembly plans are produced which contain the shape, dimensions, geometric tolerances, the specification of materials and parts number. Finally the routing sheet is generated and also the blueprint for each operation.

The manufacture of the wheel begins with the creation of the fiberglass mold from a wheel model 16"honda civic 2006, then the ring is made with vacuum bag process which contains carbon fiber, fiberglass and PVC foam core.


Moreover for the manufacturing of the center it is used the casting process to create the metal cylinder which is the base to start the machining in the conventional lathe to give it cylindricity and flatness with the dimensions and finishes that are desired. Elemental features for starting the CNC milling process, where final shape is reached.

Finally the assembly for the center and the ring is done by using bolts.


OBJETIVO GENERAL

Desarrollar el proceso de fabricación de un rin con material compuesto y Aluminio para automóvil.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

I. Proponer el diseño conceptual.

II. Realizar los planos en base a GD&T.

III. Fabricar el aro en fibra de carbón y centro en Aluminio según los planos.

IV. Ensamblar el aro y centro del rin.

ALCANCE

I. Desarrollar un proceso de manufactura de rines, utilizando materiales

compuestos y metálicos.

II. Obtener un prototipo, el cual se diseñará sin tener en cuenta fenómenos

dinámicos ni mecánicos, tomando como referencia un rin de aleación ligera

de un Honda Civic 2006.


JUSTIFICACIÓN

La fabricación de automóviles se ha vuelto cada vez más competitiva; la innovación en la industria automotriz y el mayor nivel de sofisticación de los productos que se manufacturan obligan a las empresas a mejorar los procesos involucrados y a generar tecnología que cumpla los requerimientos de la industria terminal. Por ende, la fabricación de autopartes tiene la misma tendencia.

Fabricar automóviles más ligeros genera ventajas significativas en cuanto a seguridad y ahorro de combustible. Sustituir materiales metálicos por otros más resistentes como plástico o fibras derivadas de compuestos naturales es un tema en el cual se tiene la atención de ingenieros y científicos. La creación de nuevos componentes va en aumento [46].


ESTADO DEL ARTE

A lo largo de la historia, la rueda es uno de los inventos más importantes que se han realizado, este invento se encuentra en la mayoría de las máquinas que se utilizan en la actualidad.

Fue hasta el siglo XIX, cuando se generalizó el uso de metales en la fabricación de ruedas, en la década de 1880 se inventaron los neumáticos para ruedas, y en el siglo XX se fabricaron ruedas de variadas aleaciones.

En la actualidad la fabricación de ruedas, debido a los avances tecnológicos, exige menor peso, una mayor resistencia, mayor adherencia y menor degaste por lo cual hoy por hoy un sector pequeño de la industria está incursionado en nuevas fronteras como es la fabricación de componentes con materiales compuestos.

Dentro de los pioneros que están desarrollando rines de materiales compuestos se puede mencionar, la empresa alemana Wheelsandmore, la cual después de crear los primeros rines con incrustaciones de cristales, ahora está creando rines fabricados parcialmente con fibra de carbono; inicio la implementación de la fibra de carbón para la fabricación de rines, disminuyendo peso, de los mismos, en un 40 %; aunado a la fibra de carbón, el centro lo fabrican con aleaciones ligeras.

Figura 1 Rin fabricado por Wheelsandmore


La empresa australiana, Carbon Revolution, también comenzó a desarrollar rines para automóvil fabricados completamente de fibra de carbono, con el modelo CR9, el cual tardo casi una década para su elaboración. El rin de Carbono es entre un 40 y 50% más ligero en comparación con los de Aluminio convencional, puede mejorar el consumo de combustible en un 2-4% y reducir las emisiones de CO2. Además, los diseños aerodinámicos del neumático puede aumentar el rendimiento hasta 5 por ciento.

Figura 2 Rin CR9 fabricado por Carbon Revolution


CAPÍTULO I: EL RIN Y SU FUNCIONAMIENTO EN AUTOMÓVILES

La rueda

Se define como rueda un mecanismo de forma circular que gira sobre su propio eje. En el caso de las ruedas de un vehículo se toma en cuenta el conjunto de llanta y rin, este último es el que está unido a la masa que está conectada al eje que transmite la potencia del motor a las ruedas para que éstas giren y faciliten el movimiento del vehículo, es por eso que hablando de transporte, las ruedas deben tener las siguientes características:

Llanta:

Sostener el peso del vehículo y soportar todas las cargas verticales que se

apliquen a él.

Tener la tracción necesaria para desplazar al vehículo con la potencia del

motor.

Brindar control al vehículo y estabilidad.

Colaborar exhaustivamente en el frenado del vehículo.

Una llanta o neumático es un toroide visoelástico1 que con el avance de la tecnología ha llegado al nivel de un sistema bastante complejo que es difícil de cuantificar, y debido al uso que se le da tiene una gama bastante amplia de configuraciones, las cuales se van mejorando con la observación del comportamiento de la ésta.

Rin:

Transmitir el torque a las llantas para producir el movimiento.

Dar alojamiento a las masas de los ejes.

El rin es la estructura básica de la llanta.

No maleable, es decir dureza.

Resistencia a temperaturas altas y bajas.

Bajo peso.

1 Material viscoso que presenta elasticidad y se deforma con facilidad, sin embargo es durable a la fricción y

presenta cierta rigidez.


Balance en todos los ejes.

Clasificación

Existen varios tipos de rines, de acuerdo a su forma, tamaño, número de piezas, y material de construcción.

Según la norma mexicana NMX-D-136-CT-1988 son los siguientes tipos:

Tipo 1 Metálico ferroso.

Tipo 3 No metálico.

Tipo 2 Metálico no ferroso. Tipo 4 Combinado.

Estos a su vez se subdividen en 2 subtipos y 2 grados de la siguiente forma:

Subtipo 1 De una pieza. Grado A Para usar llantas sin

cámara

Subtipo 2 De dos o más

piezas.

Grado B Para usar llantas con

cámara.

Todos estos tipos de rines deben cumplir con las especificaciones del cliente, en este caso el automóvil, estas especificaciones varían de acuerdo a la dimensión del rin, velocidad del vehículo, entre otras. En el capítulo II se explican más a fondo.

Observe la figura 3 para entender mejor el comportamiento de la rueda en el automóvil.


Figura 3 Fuerzas, momentos y grados de libertad de una llanta según ISO 8855

Se puede observar que existen 7 fuerzas actuando sobre el mecanismo, en dirección X es toda la inercia que está contenida sobre las ruedas, en el eje Y cuando el vehículo hace un giro el peso de éste tiende a actuar del lado contrario al giro, por lo que las ruedas tienen que estabilizar y hacen una fuerza contraria, en el eje Z las ruedas cargan constantemente el peso del vehículo, por otra parte se tienen las fuerzas de momento, sobre el eje de rotación de la rueda se tiene el torque que se genera gracias a la potencia que se transmite por el motor, en el eje Y se tiene un momento al momento que se opone a la tracción, este disminuye conforme el vehículo gana velocidad, en el eje Z se tiene el momento de alineamiento, que se da cuando el conductor hace maniobras con el volante y sobre el eje X se tiene el momento de vuelco, el cual se produce porque las ruedas no tienden a estar perpendicular a la superficie de desplazamiento.


Secciones del Rin

Definiciones

De acuerdo a la NMX-D-136-CT-1988 se desglosa al rin en los siguientes componentes:

a) Barrenado

b) Nomenclatura del aro

o Agujero de válvula

o Asiento de la caja de la llanta

o Caja del aro

o Canal

o Radio estático del conjunto llanta rin a carga máxima (Re)

c) Rin

o Arillo

o Centro

d) Desplazamiento

o Rin con desplazamiento cero

o Rin con desplazamiento negativo

o Rin con desplazamiento positivo

Barrenado

Se entiende como la cantidad de agujeros para birlos y el diámetro en el cual éstos están colocados por el fabricante del rin. Sirve para determinar el vehículo apropiado para cada rin. Pueden ir desde 4 barrenos hasta 8 barrenos.

Figura 4 Barrenado


Nomenclatura del aro

Agujero de la válvula: Es el orificio practicado en el arillo donde se coloca la válvula para el inflado de la llanta.

Figura 5 Agujero de la válvula

Asiento de la caja de la llanta: Es la parte del arillo que proporciona soporte radial a la llanta.

Figura 6 Asiento de la caja de la llanta


Ceja del aro: Es la parte del rin que provee soporte axial a la llanta.

La ceja más común es en forma de J ó U

La ceja en L es en su mayoría para presiones muy grandes o rines de gran tamaño

La ceja en forma de H la utilizan los carros Ferrari en su mayoría para altas velocidades

Figura 7 Ceja del aro

Canal: Es la parte del arillo que tiene suficiente profundidad y anchura, para permitir que las cejas de la llanta sean montadas y desmontadas, sobre la ceja del arillo que se encuentra del lado del montaje.

Figura 8 Canal


Nomenclatura del rin

Aro: Es la parte del rin donde la llanta se monta, soporta y otorga la flexibilidad para soportar las irregularidades del camino.

Figura 9 Rin

Centro: Es una parte del rin que es el miembro de soporte entre el eje y el arillo.

Rin con desplazamiento positivo: Es aquel que se construya de tal forma que la línea central del arillo se localice hacia la parte interior de la superficie de montaje del centro.

Figura 10 Desplazamiento positivo


Rin con desplazamiento negativo: Es aquel que se construye de tal forma que la línea central del arillo, se localiza hacia la parte exterior de la superficie de montaje del centro.

Figura 11 Desplazamiento negativo

Rin con desplazamiento cero: Es aquel que se construye de tal forma que la línea central del arillo coincide con la superficie de montaje del centro.

Figura 12 Desplazamiento cero


Prototipo de RIN con materiales compuestos y Aluminio.

Se comienza por mencionar ciertas consideraciones previas a la construcción de un prototipo, que puede ser considerado como el ejemplar o primer molde para la fabricación en serie.

En este proceso se utilizaran diferentes herramientas que servirán como base del producto final.

I. Modelos Bidimensionales: son bocetos que nacen de una lluvia de ideas

con el fin de con el fin de alcanzar un diseño conceptual.

II. Modelos de Estudio: Puede definirse como un boceto tridimensional y tiene

por objetivo visualizar las características físicas como proporción, estética,

estructura

III. Simulación o Modelo Funcional: Caracterizar física o virtualmente el modelo

de estudio con el fin de obtener parámetros cuantitativos que den como

resultado los puntos débiles del modelo para mejorarlos.

IV. Modelos Virtuales: El modelo virtual es la conclusión del diseño preliminar

donde se agregan todas las características finales con las que va a contar

el modelo.

V. Prototipo: “El prototipo se entiende como el primer modelo del producto a

tamaño real y con los materiales definitivos planteados para su fabricación,

que tiene como propósito la validación técnico – constructiva, funcional,

ergonómica, de distribución y/o mercado de la propuesta.


CAPÍTULO II: NORMAS Y ORGANISMOS DE CERTIFICACION

En el momento que se llegue al prototipo, es necesario entrar en un tema de suma importancia que servirá como comparación con otros productos desarrollados en otras partes del mundo, como son normas y estándares.

Cuando se hace referencia a estándares en rines sin duda se tiene que hablar de las organizaciones que, a nivel mundial, se encargan de certificar productos, autopartes o un automóvil en general. Tal es el caso del TUV alemán, el JLW japonés, Las NOM’s y la SAE internacional.

Cabe mencionar que dentro de los estándares de rines se encuentran los OEM (original equipment manufacturer), en la actualidad es muy común que empresas multinacionales liciten ciertas partes de sus productos finales para que una empresa especializada en procesos de manufactura. Es por eso que la empresa dueña de la marca emite procesos y normas con el fin de asegurar la calidad y el correcto funcionamiento del producto delegado a una empresa OEM, Sin embargo, este estándar es emitido por cada empresa y resulta difícil utilizarlo como punto de comparación.

Certificación Alemana TUV.

La asociación de exámenes técnicos TUV por sus siglas en alemán ¨TechnischerÜberwachungs-Verien¨, es un grupo independiente con diferentes sedes alrededor del mundo, el cual emite certificaciones de rendimiento y durabilidad del más alto nivel a cualquier producto.

La mayoría de las empresas de la industria automotriz pero especialmente las que operan en Europa cuentan con esta certificación, las pruebas en cuanto a rines van desde su tamaño hasta los materiales de fabricación.

En el caso del continente Americano está el TÜV SÜD Automotive cuyo objetivo es la aplicación de servicios de ingeniería al desarrollo de ruedas (rin más neumático). En esta sede se hacen pruebas y certificaciones a partir de ensayos de fatiga, de alta velocidad y pruebas de carga a través del test de resistencia a la rodadura.


Certificación Japonesa JWL.

Al igual que México el gobierno Japonés emite sus propios métodos de certificación, es el caso de las normas JWL2, que traducidas al español serían normas para llantas de aleación ligera, cuyo fin es garantizar la segura operación de las llantas de los vehículos de pasajeros y de carga. Cabe mencionar que en Japón ningún automóvil puede estar a la venta sin tener este certificado en sus ruedas.

La norma JWL para vehículos de pasajeros se basa en tres exámenes principalmente, El primero es un ensayo de fatiga dinámico, que consiste en simular los momentos flexionantes a los que está sometida la rueda en vueltas y en trazos curvos. El segundo es un ensayo de fatiga que busca aplicar un amplio rango de cargas desde la simulación cuando el automóvil está parado sin pasajeros hasta con su máximo peso de operación y con movimiento. Por último se realiza un ensayo de impacto, donde se verifica el efecto que tiene un golpe en la rueda, ya sea transversal o longitudinal. Y tiene por objetivo mantener la forma de la estructura ante cualquier impacto.

Si al final de los tres ensayos, la rueda cumple los objetivos de cada prueba y además mantiene el aire en la llanta, se expide la certificación para ese modelo.

Normas Mexicanas

En México se tiene una norma específica para rines, la cual tiene por objetivo establecer las especificaciones de un rin. Así como métodos de pruebas y ensayos.

La NMX-D-136-CT-1988, clasifica a los rines en tres categorías, por la naturaleza de sus materiales, por el número de piezas (solamente contempla rines de una y dos piezas), y si cuentan con cámara o no.

Para efectos de este proyecto, el prototipo propuesto sería un rin tipo 4 (combinado), Subtipo 2 (de dos piezas), Grado A (a usar sin cámara).

2http://www.jwtc.jp/open/html/situmon1.html#a01


Especificaciones de la NMX-D-136-CT-1988

Dentro de las especificaciones mecánicas de esta norma, hay tres pruebas de resistencia, que de acuerdo a los fines de este proyecto se hará mención de lo que aplique para el tipo 4.

La primera es una prueba a la resistencia dinámica flexionante de 100,000 ciclos que es aplicada entre 100,300 y 500 RPM y que puede ser aplicada con dos alternativas, con la carga a 40° o a 90° con respecto a un plano que pase por el centro del rin (cualquiera de estas dos opciones acredita la prueba), esta prueba busca que al final el rin tenga la capacidad de soportar la carga, no presente ninguna fractura y que los birlos o las tuercas de sujeción no pierdan más del 50% del apriete inicial.

La siguiente es una prueba de resistencia a la fatiga radial que opera también a 100,000 ciclos y con un factor de carga de 2.0, se considera que cumplieron la prueba si no presenta incapacidad para soportar la carga, alguna rotura o grieta o pérdida de aire en el sistema rin-llanta.

Por último el rin es sometido a una prueba de impacto con una masa de 910 Kg más una masa auxiliar de 100 Kg, que se dejan caer a una distancia de 23 cm sobre el rin, el cual está colocado a 30° con respecto al plano de la mesa de prueba, en este ensayo se busca que el rin soporte el impacto y no presente ningún tipo de fractura o desprendimiento de material después de una inspección visual.


CAPÍTULO III: PROCESOS DE MANUFACTURA MÁS UTILIZADOS PARA FABRICAR RINES

Proceso de forjado3

El proceso de forja está conformado de metales por deformación plástica, esta deformación se realiza aplicando grandes cargas de compresión al material, el proceso consiste en una deformación en la cual el material se comprime entre los dados4, este proceso es generado por una fuerza de impacto o presión gradual para formar una pieza. El proceso de forjado puede realizarse en frío o caliente, en el caso específico de la manufactura de los rines se utiliza el proceso de forjado en caliente.

En el caso de forja para rines, se obtienen lingotes de Aluminio de aproximadamente 13Kg, los cuales son calentados a 450°C para que a la hora de forjarlos no se derritan debido al cambio brusco de temperatura.

Para forjar un rin se necesitan dos discos rotativos los cuales aplanan al lingote de Aluminio con 4000 T de presión, lo cual con ayuda de la rotación ayuda a acomodar la estructura del Aluminio en un patrón circular compacto lo cual da fuerza al rin.

Después que el rin alcanza la temperatura ambiente se lleva a una máquina que lo extruye para formar el perfil del aro, en este caso se usa un refrigerante para ayudar a disminuir la fricción.

Posteriormente se les aplica un tratamiento térmico de temple, el cual consiste en calentarlos a 530°C durante dos horas y después son enfriados inmediatamente para congelar la estructura molecular alcanzada, finalmente se les quita toda rebaba o material innecesario.

Para darles la forma que diariamente se ve en los coches, se maquina con una fresa para dejar el diseño final para ese rin. Lo cual es estético y funcional, para finalizar se inspecciona la circularidad del aro, lo cual debe estar en un estándar para evitar que el aro sufra desgastes en las zonas defectuosas, una vez que se superan estos pasos, el rin es pulido y lavado para estar listo en cuanto se necesite.

3http://www.youtube.com/watch?v=M5sd18jkUK0

4 Es un material generalmente rectangular de acero utilizado para presionar y deformar una piezas

o algún material; por lo cual son las piezas más importantes del proceso de forjado

http://www.youtube.com/watch?v=M5sd18jkUK0


Diagrama del Proceso

Figura 13 Diagrama de flujo del proceso de forja

Fundición por Gravedad

El método de Fundición por Gravedad consiste en vaciar algún metal fundido en un recipiente con la forma de la pieza u objeto que se desea fabricar, de tal forma lleva un tiempo de reposo para que se endurezca y se enfrié logrando el molde perfecto.

La producción de piezas por fundición se puede simplificar en algunos pasos a seguir:

I. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas II. Preparación de los materiales para los modelos

III. Fabricación de los modelos y los moldes IV. Colado de metal fundido con inyección a baja presión V. Enfriamiento de los moldes

VI. Extracción de las piezas fundidas VII. Limpieza de las piezas fundidas

VIII. Terminado de las piezas fundidas


Figura 14 Diagrama de flujo del proceso de fundición por gravedad

Diseño de modelo

Manufactura del modelo

Preparación de arena

Fabricación de molde

Fundición de metal

Vaciado

Solidificación y enfriamento

Destrucción de molde

Limpieza e inspección


CAPÍTULO IV: MATERIALES COMPUESTOS

Al hablar de materiales inmediatamente se piensa en metales, cerámicos y polímeros, pero una cuarta categoría son los materiales compuestos. La estructura que resulta de un material compuesto es bastante compleja, por lo que son materiales difíciles de estudiar y a la vez de gran aportación a la ingeniería.

Para definir a un material compuesto se dice que es la unión de dos o más fases5 y el resultado obtenido es un material con mejores propiedades que las fases que intervienen en su composición.

A continuación se enlistan algunas características que se obtienen de estos materiales:

Ventajas:

1. Las relaciones de resistencia y rigidez con respecto al peso son bastante

elevadas, incluso mayores que Aluminio y Acero, por lo que se puede

obtener diseños fuertes y ligeros.

2. Por lo general las propiedades de fatiga y tenacidad son mejores que los

metales comunes.

3. Previenen oxidación, lo cual es muy importante en cualquier industria.

Desventajas:

1. Las propiedades de los materiales compuestos son anisotrópicas6.

2. Compuestos que tienen una fase de material polimérico pueden ser

dañados por agentes químicos o solventes.

3. Son costosos.

4. Los métodos de manufactura son lentos.

5 Distintos tipos de materiales que se pueden unir para obtener un material compuesto, metales, cerámicos,

polímeros. 6 Las propiedades mecánicas varían en función de la dirección en la cual se están midiendo (longitudinal,

transversal).


Tabla 1 Combinaciones posibles de un material compuesto de dos fases

Fase primaria, matriz. F

ase s

ecu

nd

ari

a, re

fuerz

o.

Metal Cerámico Polímero

Metal Partes de metalurgia de polvos infiltradas.

Cermets. Algunos compuestos

de moldeo. Balatas.

Cerámico

Cermets. Carburos

cementados. Metales reforzados

con fibra.

Al2O3reforzada con bigotillos de SiC.

Compuestos para moldeado de

plásticos. Platico reforzado

con fibra de vidrio.

Polímero ND ND Epóxicos reforzados

con Kevlar.

Carbono, Boro. Metales reforzados

con fibra. Nd

Hule con negro de humo.

Platico reforzado con Boro o Carbono.

ND = no disponible actualmente.

Matriz

En la tabla anterior se observa las posibles combinaciones que pueden haber entre fase primaria y fase secundaria, en el caso de este proyecto se usará la combinación de matriz de un material polimérico y un refuerzo de fibra de carbón, así que de la siguiente sub-clasificación la de interés será la tercera.

1. Compuestos en matriz metálica (CMM).

2. Compuestos en matriz cerámica (CMC).

3. Compuestos en matriz de polímeros (CMP).

Función de la matriz

La función de la matriz es proteger las fibras contra condiciones ambientales o agentes mecánicos que puedan desgastarlas, también transfiere esfuerzos sobre las fibras para evitar fracturas repentinas, es decir proporciona flexibilidad.


Polímeros

Se dividen en plásticos y hules, por parte de los plásticos se tiene polímeros termoplásticos7 (TP) y termofijos8 (TS) y por parte de los hules, polímeros elastómeros9 (E).

Para el caso de este proyecto se usará una matriz termofija la cual a temperatura ambiente es un líquido viscoso llamado resina, y puede ser de tres tipos, epoxica, fenólica o poliéster, de estas tres la resina epoxica es la que aporta características de mayor resistencia y es por eso que se selecciona como fase primaria en el compuesto para la fabricación del aro del rin.

Hay dos formas distintas para activar la reacción química en los polímeros termofijos para que estos endurezcan y cumplan su función.

1. Activados por temperatura: primero se someten a calentamiento para ser

ablandados y amoldarlos según la necesitad, posteriormente se exponen a

mayor temperatura para que el material logre su curado.

2. Activados catalíticamente: Se aplican gotas de catalizador al material

para acelerar el proceso de endurecimiento.

La resina epoxica requiere de un catalizador el cual acelera el proceso de endurecimiento de ésta y, como se ha mencionado anteriormente la resina epoxica es la que proporciona mejores características como lo son dureza, resistencia a temperaturas menores a 180° C y es bastante resistente a ataques de corrosión y agentes químicos.

Refuerzo

Como su nombre lo dice, sirve para dar mejores propiedades a la matriz, que como se ha mencionado, para este proyecto será resina epoxica, y el conjunto de

7 Materiales solidos a temperatura ambiente y al calentarse se transforman en liquido viscoso (resina) el cual

puede ser moldeado y transformado en productos útiles, se pueden someter a ciclos de enfriamiento y calentamiento. 8 A temperaturas elevadas producen una reacción química que endurece al material termofijo y no soporta

ciclos de enfriamiento y calentamiento. 9 Materiales altamente elásticos, se pueden estirar hasta 10 veces su longitud y su estructura molecular es

similar a la de los termofijos.


ambas fases crea un material con propiedades distintas a la de cada fase por separado.

Los tipos de refuerzo pueden ser fibras, partículas y hojuelas, y éstos adoptan la forma de la matriz.

Para la finalidad de este proyecto el refuerzo que se va a utilizar es la fibra de carbón ya que brinda una gran resistencia para la estructura y un rin es bastante exigente en ese aspecto.

Figura 15 Formas físicas posibles de las fases incorporadas en materiales compuestos.

a) Fibra b) Partícula c) Hojuela

Fibras

Es un refuerzo que puede tener una sección transversal de forma circular, el rango de su diámetro va desde 0.0025 mm a 0.13 mm dependiendo del material.

Un factor que no puede ser pasado por alto es la orientación de las fibras, esto se puede dar de 3 maneras

a) Dirección unidimensional, de lo cual la resistencia máxima y la rigidez se

obtiene en la dirección de la fibra.

b) Reforzamiento planar, es una malla con dos direcciones las cuales son

perpendiculares entre sí, ósea 0° y 90°.

c) Al azar o tridimensional, con esta dirección el compuesto obtiene

propiedades isotrópicas.

Figura 16 Orientación de las fibras en materiales compuestos

a) Unidimensional y fibras continua b) Fibras continuas en forma de malla c) aleatoria


Dos de los tipos de fibras más comunes son los siguientes:

1) Fibra de vidrio: Es la fibra más utilizada con los polímeros, las fibras más comunes

son la de vidrio-E y la de vidrio-S, la de vidrio-S es costosa pero mucho mejor en

propiedades.

2) Fibra de carbón: Son fibras de gran rigidez, baja densidad y baja expansión

térmica y generalmente son de una combinación de Grafito con Carbono amorfo.

Tabla 2 Propiedades mecánicas de materiales fibrosos.

Propiedades típicas de materiales fibrosos usados como refuerzo en los compuestos

Fibra Diámetro

Resistencia a la tensión Módulo de Elasticidad

Milésimas de

pulgada mm lb/pulg 2 Mpa lb/pulg 2 Gpa

Vidrio Vidrio - E 0.4 0.01 500,000 3450 10 x 10^6 73

Vidrio - S 0.4 0.01 650,000 4480 12 x 10^6 86

Carbono 0.4 0.01 400,000 2750 35 x 10^6 240


Material compuesto: Diagrama conceptual

Figura 17 Diagrama conceptual de materiales compuestos


Proceso de bolsa de vacío

Actualmente el proceso de fabricación de Materiales Compuestos más común es conocido como “moldeo por infusión”, en el que las capas del material pre-impregnado10 se inducen al curado en ciertas condiciones de presión y temperatura.

El proceso de bolsa de vacío consiste en unir dos o más materiales para conformar un material compuesto, los materiales normalmente usados en este proceso, son fibra de carbón y fibra de vidrio, resinas, núcleos para estructuras tipo sándwich como honeycome, hule espuma, madera, entre otros y, la mutilación de adhesivos para la unión de las telas con el núcleo.

Este proceso exige conocer muy bien el comportamiento de lo que sucede dentro de la bolsa de vacío para obtener una pieza con las dimensiones correctas, cabe mencionar que con esta experiencia se puede lograr una caracterización de cualquier geometría utilizando diversos materiales de apoyo según sea la necesidad, es por eso la importancia de la creatividad para adaptar la bolsa de vacío en diversos proyectos.

El objetivo de este proceso es la extracción de gases dentro de la bolsa para producir un vacío, lo cual va a generar una alta presión sobre los materiales que van a conformar al material compuesto; dicha presión logra una laminación uniforme de refuerzo, matriz, adhesivo y núcleo (para material compuesto tipo sándwich).

10

Se le llama así a la tela de fibra impregnada de resina antes de colocarse en el molde.


Componentes que intervienen en el proceso

Figura 18 Representación del proceso de bolsa de vacío

Películas de vacío: Es la bolsa que cubre al apilado de materiales que se

van a unir.

Películas de desmolde: Sirven para “separar” los materiales pre

impregnados del resto de materiales que forman la bolsa de vacío.

Tejidos aireadores: Se colocan entre la película de desmolde y la bolsa de

vacío, su función es que la extracción de gases sea más fácil.

Tejidos de absorción: Permiten la eliminación del exceso de resina de los

materiales pre impregnados en los procesos, optimizando el porcentaje

fibra/resina de la pieza final.

Retenedores: Evitan el flujo excesivo de resina del elemento por su

contorno, durante el ciclo de curado.


Pasta de cierre: Es una cinta, de unos 15 mm de anchura, utilizada en el

sellado de la bolsa de vacío, ésta une la bolsa con el útil.

Útil: Es una base normalmente de cristal templado para apoyar todo el

sistema de vacío.

Laminado: Es el apilado de telas, resina y núcleo que componen al

material compuesto.

Diagrama de flujo del proceso

Figura 19 Diagrama de flujo del proceso de bolsa de vacío


CAPÍTULO V: GD&T

GD&T (Geometrical dimensions and tolerances) es una herramienta que ayuda a potenciar los diseños de ingeniería a la hora de ser manufacturados, ya que ayuda a asegurar que el funcionamiento de piezas mecánicas se cumpla así como ensamblar de manera correcta cualquier mecanismo. También es un lenguaje global que puede entenderse en cualquier parte del mundo.

Otras razones por las que se usa GD&T es que se ahorra dinero, ya que al tener un control estricto sobre las dimensiones de las piezas se puede asegurar el cumplimiento de la calidad en lo que se está manufacturando y el número de desperdicios es nulo.

En general lo que la norma GD&T contiene es la manera correcta de dimensionar los planos que nos dicen como es la pieza que se diseñó, esto incluye como colocar las tolerancias, también se enfoca a tolerancias geométricas, las cuales caracterizan a las partes geométricas de las piezas.

Para el caso de este proyecto, la aplicación de esta norma se utiliza en la construcción del centro del rin, esto es porque el control dimensional y geométrico puede ser controlado.

Lo cual para poder lograr todas estas características debe ser necesario tener en cuenta muchos factores, uno de ellos en la sujeción de la pieza, la cual debe ser sujetada en una misma posición hasta que se finalice el maquinado, la sujeción de la herramienta también es muy importante ya que si se sujeta cerca de la orilla la herramienta tendrá mucha vibración lo cual provocaría una inconsistencia en el corte, por supuesto el filo y numero de gavilanes juegan un papel muy importante. En las conclusiones se hace mención de lo obtenido según lo anterior. Para más información sobre GD&T consultar la norma Y14.5M


CAPÍTULO VI: MAQUINADO

Torno

El torno es una máquina que cuenta con una gran gama de herramientas que permiten mecanizar piezas de formas geométricas. Esta máquina-herramienta opera haciendo girar una pieza, para lograr manufacturar; la pieza a fabricar es sujetada por 3 barras llamadas mordazas que están sujetadas por un cabezal llamando chuck que permiten fijar la pieza de forma centrada. Ya sujetada la pieza en la parte de frontal se encuentra un porta herramientas llama torreta que sirve para sujetar una o varias herramientas de corte (La torreta va montada sobre un carro que se desplaza sobre la bancada a la vez tiene un movimiento de rotación sobre su propio eje, permitiendo la selección de cada herramienta montada) la cual puede ser movida de forma manual o automática con movimientos regulados de avance contra la superficie de la pieza para producir un corte por arranque de viruta.

Figura 20 Torno y sus partes

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina-herramienta

http://es.wikipedia.org/wiki/Avance


Tipos de tornos

Existen infinidad de tipos de torno, cuya aplicación depende de la cantidad de

piezas a mecanizar por serie, de la complejidad de las piezas y de la envergadura

de las piezas.

Torno paralelo o mecánico

Torno copiador

Torno revólver

Torno automático

Torno vertical

Torno CNC

Torno de levas

Velocidad de corte

Se define como velocidad de corte la velocidad lineal de la periferia de la pieza que está en contacto con la herramienta. La velocidad de corte, se expresa en metros por minuto (m/min). A partir de la determinación de la velocidad de corte se puede determinar las revoluciones por minuto que tendrá el cabezal del torno, según la siguiente fórmula:

(

)

(

)

Dónde:

Vc es la velocidad de corte

n es la velocidad de rotación de la pieza a maquinar

Dc es el diámetro de la pieza.

Velocidad de rotación de la pieza

La velocidad de rotación del cabezal del torno se expresa habitualmente en revoluciones por minuto (RPM).

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Velocidad_lineal&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_angular

http://es.wikipedia.org/wiki/Revoluciones_por_minuto


(

) (

)

Dónde:

Vc es la velocidad de corte.

n es la velocidad de rotación de la pieza a maquinar.

Dc es el diámetro de la pieza.

Velocidad de avance

El avance o velocidad de avance en el torneado es la velocidad relativa entre la

pieza y la herramienta, es decir, la velocidad con la que progresa el corte.

La velocidad de avance es el producto del avance por revolución por la velocidad

de rotación de la pieza.

(

) (

)

Dónde:

F es el avance.

n es la velocidad de rotación de la pieza a maquinar.

Fz es el avance por revoluciones.

Tiempo de torneado

El tiempo de torneado es la duración en minutos máquina en la que tarda el torno en maquinar la pieza requerida.

El tiempo de torneado es totalmente proporcional a la longitud de la pieza y el avance que se le agrega al manufacturar.


(

)

Dónde:

T es el tiempo de torneado.

L es la Longitud de pasada a lo largo de la pieza.

F es el avance.

Fresadora

La fresadora es una máquina-herramienta utilizada para realizar maquinados por arranque de viruta, consiste en el movimiento de una herramienta rotativa de varios filos de corte que se denominada fresa.

Mediante el fresado es posible maquinar diversos materiales, y en diferentes formas en superficies planas o curvas. En las fresadoras convencionales, la pieza se desplaza acercando las zonas a maquinar a la herramienta que se encuentra sujetada en de manera vertical por el cono que sostiene la herramienta de corte. La fresadora tiene distintos tipos de movimientos de los cuales los más básicos son:

Fresado frontal

Movimiento de corte

Fresado frontal y tangencial

Movimiento de avance

Fresado tangencial en oposición

Movimiento de profundidad de pasada

En cuestión de los movimientos de la herramienta el principal es el del giro sobre su eje; algunas fresadoras también pueden variar la inclinación de la herramienta o incluso prolongar su posición a lo largo de su eje de giro. En las fresadoras de puente móvil todos los movimientos los realiza la herramienta mientras la pieza permanece inmóvil. En lo que respecta a los movimientos de la mesa o carro se puede desplazar de forma manual o automática con velocidades de avance de mecanizado o con velocidades de avance rápido. Para ello cuenta con una caja de avances expresados en (mm/minuto), donde es posible seleccionar el avance de trabajo adecuado a las condiciones tecnológicas del mecanizado. Los

http://es.wikipedia.org/wiki/Mecanizado

http://es.wikipedia.org/wiki/Viruta

http://es.wikipedia.org/wiki/Fresadora#Herramientas


movimientos que se obtienen con la mesa se diferencian con respecto a los ejes cartesianos que son:

Movimiento longitudinal: Eje X, corresponde al movimiento de trabajo. Que facilitar la sujeción de las piezas en la mesa mediante unas mordazas u otros elementos de sujeción de las piezas

Movimiento transversal: Eje Y, corresponde al desplazamiento transversal de la mesa. Se utiliza básicamente para posicionar la herramienta de fresar en la posición correcta.

Movimiento vertical: Eje Z, corresponde al desplazamiento vertical de la

mesa. Con el desplazamiento de este eje se establece la profundidad de corte del fresado.

Giro respecto a un eje longitudinal: El grado de libertad U. Se obtiene con un cabezal divisor o con una mesa oscilante.

Giro respecto a un eje vertical: El grado de libertad W. En algunas fresadoras se puede girar la mesa 45º a cada lado, en otras la mesa puede dar vueltas completas.

Imagen 21 Fresadora Hartford LG-1800


Tipos de fresadoras

Fresadoras según la orientación de la herramienta

Fresadora Horizontal

Fresadora Vertical

Fresadora Universal

Fresadora CNC

Fresadoras especiales

Fresadoras circulares

Fresadoras copiadoras

Fresadoras de pórtico

Fresadoras de puente móvil

Fresadora para madera ( máquina portátil)

Fresadoras según el número de ejes

Fresadora de tres ejes.

Fresadora de cuatro ejes

Fresadora de cinco ejes.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_horizontal&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_vertical&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_universal&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_circular&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_copiadora&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_de_p%C3%B3rtico&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_de_puente_m%C3%B3vil&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_para_madera&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A1quina_port%C3%A1til&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_de_tres_ejes&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_de_cuatro_ejes&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fresadora_de_cinco_ejes&action=edit&redlink=1


CAPÍTULO VI: PLANEACIÓN DEL PROCESO

La planeación del proceso contiene toda la información requerida para la manufactura del centro del rin prototipo, este capítulo tiene por objetivo generar una guía de manufactura y planos que describen los pasos a seguir así como la forma final que debe tener la pieza.

Para que una pieza mecánica sea creada primero debe haber un mercado en el cual se pueda comercializar y obtener ganancias. Es por eso que a continuación se muestra un despliegue de funciones de calidad (QFD).

Identificación del cliente

Cliente externo

Actualmente todos los carros del mundo utilizan rines metálicos, pueden ser de acero o aleaciones ligeras ya que la producción de estos rines puede ser en serie y son procesos rápidos lo cual reduce el precio del producto. Al hablar de rines de fibra de carbón esto incrementa el precio debido a que el proceso es tardado lo que conlleva a producir una cantidad reducida del producto.

Por eso el mercado de este producto se enfoca a coches deportivos como Ferrari, Lamborgini, Porche, etc. Estos autos exigen el mayor rendimiento en cada uno de sus sistemas y los rines de fibra carbón pueden ayudar a cumplir estas necesidades, pero debido al precio que pueden alcanzar, sólo los clientes que quieran obtener el máximo rendimiento de su coche, son los que están dispuestos a pagar por este producto.

Determinación de los requerimientos del cliente

A. Reducción de consumo de combustible.

B. Mayor aceleración 0 – 100 kph.

C. Mejor maniobrabilidad.

D. Frenado en menor distancia 100 – 0 kph.

E. Durabilidad.

F. Diseño atractivo.

G. Bajo costo.


Importancia relativa de los requerimientos del cliente

Requerimientos obligatorios y deseables:

Obligatorios Deseables

Reducción de combustible Mayor aceleración

Durabilidad Mejor maniobrabilidad

Bajo costo Frenado en menor distancia

Diseño atractivo

Matriz de ponderación

A B C D E F G ∑(+) Ir %

A 0 + + + - + - 4 19.04

B - 0 + + - + - 3 14.28

C - - 0 + - - - 1 4.76

D - - - 0 - + - 1 4.76

E + + + + 0 + - 5 23.81

F - - + - - 0 - 1 4.76

G + + + + + + 0 6 28.57

Total = ∑ = 21 Ir=100%


Benchmarking

En esta gráfica se observa que Carbon Revolution es superior a Wheelsandmore y al prototipo que se pretende fabricar en este trabajo, sin embargo, se estima que el precio para un rin JFEE será más accesible.

Requerimientos en términos mesurables

A B C D E F G

Muy fácil 1

Fácil X 2

Normal X X 3

Difícil X X X 4

Muy difícil X 5

0

1

2

3

4

5

A B C D EF

G

CR

WS

JFEE


Evaluaciones de la importancia

⁄

Imp

ort

an

cia

Ma

teri

ale

s

Co

sto

mate

ria

pri

ma

Pro

ces

os

fab

ric

ació

n

Pe

rso

nal

califi

cad

o

Infr

aestr

uctu

ra

Pru

eb

as e

n b

as

e a

no

rma

TU

V

Cre

ati

vid

ad

e

inn

ova

ció

n

A 4 9 1 9 3 3 1 9

B 3 9 1 9 1 1 3 3

C 1 9 1 9 1 1 9 3

D 1 9 1 9 1 1 3 3

E 5 9 3 3 1 1 9 3

F 1 1 1 3 1 1 1 9

G 6 3 9 9 9 9 3 9

Valor relativo

145 79 153 77 77 89 129

% 19.35 10.54 20.42 10.28 10.28 11.88 17.22

Donde:

9 = para una relación fuerte 3 = para una relación media 1 = para una relación baja


Matriz de correlaciones

Ma

teri

ale

s

Co

sto

mate

ria

pri

ma

Pro

ces

os

fab

ric

ació

n

Pe

rso

nal

califi

cad

o

Infr

aestr

uctu

ra

Pru

eb

as e

n b

as

e

a n

orm

a T

UV

Cre

ati

vid

ad

e

inn

ova

ció

n

Donde

Depende del fabricante

Depende de externos

Potencializa positivamente

Potencializa negativamente


Una vez que se satisfacen las necesidades del cliente se inicia del diseño conceptual y preliminar para la creación del diseño de detalle, en donde se muestra la forma, dimensiones, tolerancias geométricas y de dimensión, la especificación de los materiales, el tipo de acabado así como el número partes. Esto con el fin de ubicar las operaciones generales y los factores críticos.

Figura 22 Vista explotada del modelo. Véase plano de vista explotada

Fabricación del aro

El primer paso es la fabricación del aro de fibra de carbón, para esto se siguen los siguientes pasos:

1. Compra de material

Tabla 3 Materiales necesarios para fabricar el molde del aro

Material Cantidad Material Cantidad

Fibra de vidrio 3Kg Brochas de 3 in 4

Resina poliéster PP-250 6 Kg Estopa 1 bolsa

Cera desmoldante 0.5 Kg Recipiente para mezcla 3

Película separadora 0.5 Kg Resistol 5000 0.25 Kg

Gel-Coat 3 kg Esponja 1

Coremat 1 pliego Rodillo 1 ó 2

Catalizador k 2000 0.25 Kg


2. Limpiar el rin con estopa bañada en thiner, quitando toda suciedad.

3. Se debe colocar pestañas auxiliares para la sujeción de la bolsa las cuales deben pegarse con Resistol 5000 en la toda la circunferencia. Dado la fabricación se realiza mediante el proceso de bolsa de vacío.

4. Colocar pestañas que dividan al aro a la mitad. Y una vez colocadas agregar

cuatro semiesferas de plastilina como se muestra en la figura 33.

Figura 23 Rin de Honda Civic 2006 limpio

Figura 24 Pestañas auxiliares en el perímetro de cada lado del aro

Figura 25 Pestañas laterales


5. Aplicar 1 capa de cera desmoldante con una franela sobre una de las mitades del aro y pestañas, después de 5 minutos retirar la capa con una franela limpia, repitiéndose este paso 7 veces más.

6. Aplicar dos capas de película separadora a la mitad de la pieza; esto tiene el fin de que la resina no se adhiera al rin, ni a las pestañas, déjese secar por 15 minutos. Véase figura 34.

7. El siguiente paso es la aplicación de gel-coat sobre la capa de película separadora, este tipo de resina oculta las burbujas e irregularidades que se producen al impregnar las fibras con resina poliéster. Para su aplicación hay que mezclar gelcoat con catalizador K2000, en donde deben ser 700 g de gelcoat y 7 g de catalizador, una vez aplicado perfectamente se deja secar durante 40 minutos. Aplíquese con una brocha o pistola dosificadora.

Figura 26 Mitad donde se aplica cera desmoldante y película separadora

Figura 27 Mezcla, impregnación y secado de gel-coat


8. Posteriormente, el laminado de 3 capas de fibra de vidrio y 1 capa de coremat. Para esto se mezclan 2 Kg de resina poliéster PP-250 y 20 g de catalizador K2000. Primeramente se aplica una capa de PP-250 sobre la capa de gelcoat sobre la cual se colocan tiras de fibra de vidrio las cuales se deben mojar con resina para seguir incorporando las siguientes capas. Con las brochas y rodillo se asegura la eliminación de burbujas y esparcimiento uniforme de la resina.

9. Déjese curar por 24 horas y una vez que solidifica la mitad del molde se procede a laminar la otra mitad para obtener el molde completo, antes se cortan los excesos y se lijan los filos para evitar accidentes. Para ello se deben repetir los paso del 5 a 8.

Figura 28 Aplicación de laminados

Figura 29 Molde terminado


Para obtener la pieza de material compuesto mediante el proceso de bolsa de vacío. Los utensilios que se requieren para el montaje del sistema, son:

Tabla 3 Materiales necesarios para la fabricación del aro en materiales

compuestos

Material Cantidad

Fibra de carbon 4 m2

Fibra de vidrio (petatillo) 1 Kg

Manta moldeable 2 m2

Tira de espuma de PVC 2 de 1.3 m de largo

Resina PP-250 4 kg

Catalizador K2000 0.25 Kg

Cera desmoldante 0.5 Kg

Bolsa para vacío 1 pliegue de 3 m X 2 m

Cinta doble cara 1 rollo

Bomba de vacío 1

Recipiente para mezcla 2

Manguera de espiral 5 m

Malla de distribución 1 de 1.5 m x 0.4 m

Tela de acabado 1 de 1.5 m x 0.4 m

Adhesivo en aerosol 1

Proceso:

1. Aplicar cera desmoldante al molde, esto es con el fin de ayudar al molde para que la resina que se le aplica la pieza no se pegue al molde.

2. Aplicar película separadora y dejarla secar durante 20 minutos.

3. Colocar cinta doble vista en las pestañas del molde para adherir la manguera espiral y la bolsa, para asegurar que el aire no entre a la sección en la que se quiere realizar el vacío. Véase figura 38.

4. Se coloca la manguera espiral. Véase figura 38.


Figura 30 Se observa cómo se aplica la cinta doble cara, la cual en uno de los lados se colocan dos tiras para poder pegar la manguera espiral, a su vez tiene apiladas dos capas de fibra de carbón y una de manta moldeable

5. Lo siguiente es aplicar las capas de fibra, sobre el aro agregándoles adhesivo evitando que las fibras caigan del molde. La distribución del apilamiento es el siguiente: dos capas de fibra de carbón, una de fibra de vidrio, se colocan las tiras de

6. espuma PVC, una capa de fibra de vidrio, se finaliza con dos capas de fibra de carbón. Véase figura 39.

Figura 31 Se termina de apilar los laminados y se agrega tela de acabado


7. Colocar la manta de acabado, para que la cara interna de la pieza tenga un buen acabado superficial. Véase figura 39.

8. Se incorpora la malla distribuidora, para una aplicación uniforme y una distribución rápida de la resina.

Figura 32 Se recorta la malla distribuidora para agregarla al laminado

9. Colocar la bolsa dejando 3 pliegues por lado. Véase figura 41.

Figura 33 Bolsa con pliegues, manguera para vacío y manguera para infusión


10. Situar las mangueras por la cual se va a generar el vacío, y las que suministran la resina. Véase figura 41

11. Infusión de resina, cuando todo el laminado se impregne cerrar el sistema de entrada y dejar curar durante 45 minutos. Véase figura 42.

Figura 34 Resina impregnándose en el laminado

12. Desmontar bolsa, malla de distribución y manta moldeable, dejando curar a la pieza durante 24 horas.

13. Quitar excesos de material

14. Limpiar y pulir pieza.

Figura 35 Prototipo de fibra de carbón terminado


Manufactura del centro

Antes de mencionar las operaciones que se aplican al centro se debe evaluar la selección del material, se hace tomando como base el material determinado por diseño, aunque en ocasiones puede variar en función del proceso seleccionado, además se evalúa cualquier requerimiento especial como puede ser un tratamiento térmico o alguna condición mecánica, en este caso el diseño contempla Aluminio 6061, que según la edición de 2009 del “Aluminum Standars and Data” es una aleación dúctil y ligera, con gran resistencia mecánica (42 ksi), además ofrece excelentes características de acabado superficial en maquinado.

Se observa que el diseño exige precisión en la pieza, lo que da paso a la selección de los procesos, lo que es fundamental en la planeación, se realiza un listado de procesos aptos, donde se puede seleccionar uno o varios, dependiendo de la complejidad del producto y haciendo una serie de consideraciones, como el peso y la forma del producto, la precisión establecida por diseño, el tipo de acabado y el costo del proceso.

1. Maquinado

Torno

Fresa

CNC

2. Forjado

Dado abierto

Dado cerrado

3. Fundición

Por gravedad

Por inyección.

4. Tecnología High Light (HLT)

Debido a las tolerancias tan cerradas que maneja el diseño donde puede alcanzar las 20 micras, así mismo pensando en las ventajas de acabado y facilidad de maquinado que presenta el Aluminio 6061 y tomando en cuenta los procesos existentes en las instalaciones del IPN, se opta por dividir la manifactura en tres procesos: Fundición por gravedad y moldeo en arena, maquinado con torno y maquinado CNC. Con la conjugación de estos procesos se espera manufacturar el rin con alta precisión.

Maquinado CNC

Maquinado con Torno

Fundicion por gravedad


El siguiente punto es la selección de las máquinas para cada proceso, típicamente se toman en cuenta los siguientes factores: el peso y la forma de la materia prima durante cada operación, el torque y las RPM máximas, las herramientas disponibles para la máquina seleccionada y el acabado que debe de tener el producto.

La selección de la maquinaria

•Fundición: Se selecciona un horno de crisol movil , calentado con gas Licuopropano, con capacidad de 30 kilogramos , localizado en las instalaciones de ESIME U.A. IPN

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•Maquinado con torno: Se selecciona un torno convencional con un giro radial de 12 pulgadas, con una potencia de 800 HP, lo que proporciona 1200 RPM, Se localiza en ESIME U.P. Ticomán IPN

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•Maquinado CNC: Se selecciona un centro de máquinado LG-800 HARTFORD con una bancada ... y una potencia de HP la cual alcanza las 8000 RPM. localizado en las instalaciones de ESIME U.A. IPN

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Fundición

El material que se utiliza en el proceso de fundición es el siguiente:

Aluminio

Modelo de la pieza

Cajas de moldeo (80x62x15)

Arena de tipo sílica

Agua

Palas

Herramientas para moldeo

Cubetas

Horno de crisol

Equipo de seguridad

Tenazas de sujeción para crisol

Pastilla de cloro

Polvo separador

Tamiz o rejilla

Cuchara de fundición

Proceso

Para este proceso se tiene un modelo de cera con las dimensiones aumentadas en un 7% debido al efecto de contracción del Aluminio al solidificarse.

Figura 36 Modelo de cera


Primeramente se precalienta él horno y el crisol, en lo que se alcanza la temperatura deseada, se prepara el molde de la siguiente forma.

1. Se mezcla la arena silica aplicando agua moderadamente hasta que la

arena tenga una consistencia húmeda y moldeable esto es cuando se toma

un puñado de arena sobre las manos y al cerrar el puño esta se queda

compacta. Figura 45.

2. La parte inferior (hembra) de la caja de moldeo, se coloca sobre una

superficie plana. Figura 46.

3. El modelo se introduce en el centro de la caja y se aplica una capa de polvo

separador. Figura 46.

Figura 37 Mezcla de la arena

Figura 38 Modelo debajo de la caja hembra, al cual se le aplica polvo separador.


4. Se coloca una capa de arena tamizada, hasta cubrir completamente el

modelo y sobre la arena fina poner arena sin colar hasta llenar la caja.

Figura 39 Arena tamizada cubre al modelo

5. Se compacta la arena iniciando por las orillas de la caja de moldeo. Figura

48.

Figura 40 Compactación de la arena por las orillas


6. Rotar 180º la caja inferior de manera que el modelo se encuentre en la

parte superior. Figura 49.

7. Se coloca la caja superior sobre la inferior. Figura 50.

8. Elaborar el bebedero y los ductos de alivio, con los tubos. Figura 51.

9. Se coloca una capa de arena tamizada, hasta cubrir completamente el

modelo. Figura 51.

10. Compactar la arena iniciando por las orillas de la caja de moldeo. Figura 51.

11. Rellenar la caja con la arena y se compacta hasta que cubra la cavidad de

la caja en su totalidad. Figura 51.

Figura 41 Caja hembra rotada 180°

Figura 42 Caja superior


12. Abrir la caja de moldeo. Figura 52.

13. Con las herramientas de moldeo se realizan los ductos de alimentación de

la pieza en la caja inferior.

14. En la caja superior se realiza el cono de vaciado.

15. Se retira el modelo.

Ya que el horno alcanzo la temperatura requerida para la fundición del Aluminio (650ºC).

1. Se alimenta el crisol con 26kgs de Aluminio en lingotes. Figura 53.

Figura 43 Caja con bebederos, ductos de alivio y arena compactada

Figura 44 Caja macho y hembra


Figura 45 Alimentando al horno con lingotes de Aluminio

2. Esperar unos minutos para que el Aluminio esté en su estado líquido.

3. Alcanzado este punto, con las tenazas de sujeción se retira el crisol del

horno y se coloca en la cuchara de vaciado.

4. Con una pastilla fundente se crea una reacción química para que se libere

el hidrogeno y retirar las impurezas del aluminio.

5. Posteriormente se vacía el metal en el molde, de manera continua.

6. Esperas a que al Aluminio se solidifique y enfrié.

7. Destruir el molde y retirar la pieza.

Figura 46 Vaciado de Aluminio


Figura 47 Materia prima de Aluminio lista para maquinado

El desarrollo de las operaciones para el centro será plasmado en dos hojas de ruta una para la fundición y otra enfocada a maquinado.

Tabla 4 Hoja de ruta para fundición

Hoja de Ruta 1 “Fundición”

Nombre de la parte: Centro de rin No. de Parte: 2 No. De dibujo: 2

Cantidad: Material: Planeador:

Revisión No. Fecha: Página 1 de 1 Orden No.

Op. No. Descripción Máquina

1 Modelo en Cera (Diámetro 18¨, altura 5¨)

2 Preparación de arena tipo silica Molino de bolas

3 Molde Cajas de Moldeo

4 Fundición del Aluminio 6061 (26 kg en barras ) Horno y Crisol

5 Vaciado

6 Abertura del molde

7 Limpieza e inspección


Maquinado

Tabla 5 Hoja de ruta para maquinado del centro

Hoja de Ruta 2 ¨Maquinado¨

Nombre de la parte: Centro de rin

No. de Parte: 2 No. De dibujo: 2

Cantidad: Material: Planeador:

Revisión No. Fecha: Página 1 de 1 Orden No.

Op. No. Descripción Máquina

10 Barreno de 31.75mm de diámetro Taladro 1

20 Eje entra en agujero de disco Prensa hidráulica

30 Careado en cara 1 Torno 3

40 Careado en cara 2 Torno 3

50 Cilindrado Torno 3

60 Maquinado figuras 1 profundidad 27mm Fresa 1

70 Maquinado figuras 2 profundidad 20 mm Fresa 1

80 Maquinado figuras 3 profundidad 9.75 mm Fresa 1

90 Maquinado central parte frontal a 21.5 mm Fresa 1

100 Maquinado agujeros para llave de birlos Fresa 1

110 Maquinado barrenos para pernos de masa Fresa 1

120 Maquinado barrenos para sujeción con aro Fresa 1

130 Maquinado agujeros para cabeza de tornillos Fresa 1

140 Maquinado de perfil en las puntas Fresa 1

150 Maquinado perfil trasero Fresa 1

160 Careado final frontal Fresa 1

170 Careado final trasero Fresa 1

Se identifican 4 operaciones críticas, tanto por su complejidad, tolerancia, y la seguridad al realizarlos.

Dentro de la Fundición se ubica el primer factor crítico por seguridad, el vaciado, operación que necesita de herramientas y equipo de seguridad especial.

Las operaciones generales y los factores críticos de maquinado comienzan con la pieza fundida, y son identificados 2 operaciones críticas, la operación 110 y 120, ambas se relacionan con el ensamble final, así que son determinantes para alcanzar los objetivos del proyecto.

Para cada operación se debe de identificar el tipo de herramienta más apropiado dependiendo el tipo de corte que se realizará, el tipo de material con el que


estéfabricado, la marca, la calidad, la capacidad, y el acabado que marca el diseño. Un proceso exitoso depende en gran parte de una adecuada selección de herramientas, especialmente para maquinado, es por eso que a continuación se muestra una lista de herramientas para cada operación de maquinado.

Tabla 6 Listado de herramientas usadas para el maquinado del centro

Lista de herramientas

Nombre de la parte: Centro de rin

No. de Parte: 2 No. De dibujo: 2

Página 1 de 1 Material: Aluminio Planeador: Edgar Villegas Revisión No. Fecha: 02/04/13

Op. No.

No. De herramienta

No. De Offset

Descripción de la herramienta Material de la herramienta

10 1 - Broca 31.75 mm HSS

20 2 - Buril 3/8 Cobalto




60 3 01 Cortador plano 20mm HSS



90 4 02 Cortador de bola 9.525mm HSS


110 5 03 Broca 15mm HSS

120 6 04 Broca 6.35mm HSS

130 7 05 Broca 10mm HSS


150 4 02 Cortador de bola 9.525mm HSS



La determinación de los parámetros del proceso, abarca el cálculo de velocidad y profundidad de corte para cada herramienta y para cada operación, inclusive se toma el tiempo de cada operación que agrega valor y de las que no como el traslado de la pieza entre operaciones, esto como referencias para la mejora del proceso.


Tabla 7 Lista de operaciones aplicadas al centro del rin

Lista de operaciones

Nombre de la parte: Centro de rin No. de Parte: 2 No. De dibujo:

2 Revision No. 2 Fecha: 01/04/13 Página 1 de 1 Planeador: Edgar

Villegas Op. No.

Descripción Máquina Herrami

enta Vel

(RPM) Avance mm/min

T (min)

Comentarios

10 Barreno al centro de

la pieza Taladro 1 100 50 1.2

20 Eje en agujero de

disco Prensa - - - 3

Ajuste apretado

30 Careado cara frontal Torno 3 2 190 1000 28 3 mordazas 40 Careado cara

trasera Torno 3 2 190 1000 28

50 Cilindrado Torno 3 2 190 1000 17

60 Figuras 1 Fresa 1 3 2500 2000 240 Fanuc

70 Figuras 2 Fresa 1 3 2500 2000 198

80 Figuras 3 Fresa 1 3 2500 2000 45

90 Aligeramiento

central Fresa 1 3 2500 2000 38

100 Radio de

aligeramiento central Fresa 1 4 2500 800 25

110 Agujeros para llave

de birlos Fresa 1 3 2500 1100 15

120 Barrenos para penos de masa

Fresa 1 5 2500 50 8

130 Barrenos para

sujeción Fresa 1 6 2500 50 7

140 Agujeros para

cabeza de pernos Fresa 1 7 2500 50 5

150 Perfil de puntas Fresa 1 3 2500 1500 50

160 Perfil trasero Fresa 1 4 2500 1900 60

170 Careado final frontal Fresa 1 3 2500 700 5

180 Careado final trasero

Fresa 1 3 2500 700 3

Igualmente para todas las operaciones de maquinado se considera un refrigerante de corte dependiendo de las velocidades y profundidades de corte, con esto se espera obtener los siguientes beneficios: mantener controlada la temperatura de la herramienta, desgaste en el filo de la herramienta y obtener un mejor acabado de la pieza.

Tomando en cuenta que se está utilizando una aleación ligera se proponen dos tipos refrigerantes de corte emulsionables de tipo semisintético o un refrigerante en base de aceite de tipo sintético de baja viscosidad.


Por último se recomienda una emulsión media (13 a 20%), debido a las velocidades de avance que alcanzan las 2500 mm/min, y se observó que la profundidad de corte más óptima es de 0.5mm debido a la forma de sujeción de la pieza.

Para cada operación se desarrolla un diagrama que servirá de apoyo para el operador del centro de maquinado

Plano de operación 10

Nombre de la parte: Centro de rin No. De dibujo: 1

No. de Operación

Nombre Descripción Máquina y

herramienta

10 Barreno al centro de la pieza

a) Centrar y Sujetar la pieza a la mesa de trabajo con clamps. b) Barrenar la pieza al centro con cada broca hasta un diámetro D33 J7 c) Retirar clamps d) Inspección con calibrador Vernier

Taladro Vertical Broca ¼´´ Broca ½´´ Broca 1´´ Broca 31.75 mm Calibrador vernier

NOTA: USO DE EQUIPO DE SEGURIDAD OBLIGATORIO (LENTES, BATA, GUANTES, BOTAS)




No. de Operación

Nombre Descripción Máquina y

herramienta

20 Eje en agujero de disco

a) Desbastar en torno 1 el eje (acero 3032 de 20´´ de largo) hasta un diámetro 60 mm b) Marcar eje a 15´´ c) Desbastar eje de 0´´ a 15´´ hasta un diámetro D33 k6 d) Dar dos pasadas de acabado. e) Inspección con calibrador Vernier f) Colocar la pieza sobre las placas de altura y el eje sobre la pieza. g) Accionar la prensa e inspeccionar ajuste apretado.

Torno 1 Buril 3/8 Calibrador vernier Prensa hidráulica



Plano de operación (30-40-50)

Nombre de la parte: Centro de rin No. De dibujo: 3 y 4

No. de Operación

Nombre Descripción Máquina y herramienta

30 Careado cara frontal

a) Montar la pieza en el torno 1 b) Carear la pieza c) Inspección con palpador d) Desmontar la pieza

Torno 1 Buril 3/8 Palpador

40 Careado cara trasera

a) Montar pieza en el torno 1 b) Carear la pieza c) Inspección con palpador


50 Cilindrado a) Cilindrar la pieza b) Inspección con palpador c) Desmontar la pieza


NOTA: USO DE EQUIPO DE SEGURIDAD OBLIGATORIO (LENTES, BATA, GUANTES,

BOTAS)



Nombre de la parte: Centro de rin No. De dibujo: 5 y 6

No. de Operación 60

Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador plano HSS 20 mm.

Nombre: Maquinado figuras 1 profundidad 27mm

Descripción

a) Colocar 4 pines de madera como base. b) Montar la pieza en la fresa 1. c) Sujetar la pieza con Clamp central. d) Encender el centro de Maquinado. e) Colocar en el porta herramientas todos los conos que se utilizaran en todas las operaciones. f) Copiar el programa ¨Maquinado figuras 1 profundidad 27mm¨ a la memoria interna del centro de maquinado. g) Dar el cero pieza-Herramienta en el eje Z. h) Iniciar el programa. i) Supervisar la salida del refrigerante y el funcionamiento del cortador. j) Limpiar la pieza. k) Inspección con calibrador Vernier.

NOTA: LA PIEZA NO SE DESMONTA EN ESTA OPERACIÓN USO DE EQUIPO DE SEGURIDAD OBLIGATORIO (LENTES, BATA, GUANTES, BOTAS)


Figura 48 Trayectoria de herramienta para operación 60







Nombre: Maquinado figuras 2 profundidad 20 mm

Descripción

a) Encender el centro de Maquinado

b) Revisar que el cortador Plano HSS 20 mm este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨ Maquinado figuras 2 profundidad 20 mm ¨ a la memoria interna del

centro de maquinado.

d) Revisar la sujeción de la pieza con Clamp central.

e) Dar el cero pieza-Herramienta en el eje Z.

f) Iniciar el programa.

g) Supervisar la salida del refrigerante y el funcionamiento del cortador.

h) Limpiar la pieza.

i) Inspección con calibrador Vernier.

NOTA: LA PIEZA NO SE DESMONTA EN ESTA OPERACIÓN. USO DE EQUIPO DE SEGURIDAD OBLIGATORIO (LENTES, BATA, GUANTES, BOTAS)






Nombre: Maquinado figuras 3 profundidad 9.75 mm

Descripción

a) Encender el centro de Maquinado


c) Copiar el programa ¨ Maquinado figuras 3 profundidad 9.75 mm ¨ a la memoria interna del

centro de maquinado.

d) Revisar la sujeción de la pieza con Clamp central.

f) Dar el cero pieza-Herramienta en el eje Z.

g) Iniciar el programa.

h) Supervisar la salida del refrigerante y el funcionamiento del cortador.

i) Limpiar la pieza.

j) Inspección con calibrador Vernier.

NOTA: LA PIEZA NO SE DESMONTA EN ESTA OPERACIÓN.

USO DE EQUIPO DE SEGURIDAD OBLIGATORIO (LENTES, BATA, GUANTES, BOTAS)





Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador plano HSS 20 mm HSS

Nombre: Maquinado aligeramiento central parte frontal a 21.5 mm

Descripción

a) Encender el centro de maquinado

b) Revisar que el cortador de bola 9.525mm HSS este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨ Maquinado central parte frontal a 21.5 mm ¨ a la memoria interna de la

máquina.

d) Retirar el clamp central y realizar la sujeción de la pieza con 3 Clamps sobre los rayos.











No. de Operación 100 Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador de

bola 9.525mm HSS

Descripción

Nombre: Maquinado radio de aligeramiento central parte frontal a 21.5 mm


b) Revisar que el cortador de bola 9.525mm HSS este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨ Maquinado central parte frontal a 21.5 mm ¨ a la memoria interna de la

máquina.

d) Retirar el clamp central y realizar la sujeción de la pieza con 3 Clamps sobre los rayos.











Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador Plano HSS 20 mm.

Nombre: Maquinado agujeros para llave de birlos

Descripción



c) Copiar el programa ¨ Maquinado agujeros para llave de birlos ¨ a la memoria interna de la

máquina.

d) Revisar la sujeción de la pieza con 3 Clamps sobre los rayos.











Máquina y herramienta: Fresa 1, Broca HSS 15mm

Nombre: Maquinado barrenos para pernos de masa

Descripción


b) Revisar que la Broca HSS 15mm este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨ Maquinado barrenos para pernos de masa ¨ a la memoria interna de la

máquina.













Máquina y herramienta: Fresa 1, Broca HSS 6.35 mm

Nombre: Maquinado barrenos para sujeción con aro

Descripción


b) Revisar que la Broca HSS 6.35 mm este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨Maquinado barrenos para sujeción con aro¨ a la memoria interna de la

máquina.












Máquina y herramienta: Fresa 1, Broca HSS 10 mm

Nombre: Maquinado agujeros para cabeza de tornillos

Descripción


b) Revisar que la Broca HSS 10 mm este colocado en la posición 1

c) Copiar el programa ¨ Maquinado agujeros para cabeza de tornillos¨ a la memoria interna de la

máquina.







j) Desmontar la pieza






Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador Plano HSS 20 mm.

Nombre: Maquinado de perfil en las puntas

Descripción

a) Montar la pieza con la parte frontal hacia abajo en la fresa 1. b) Retirar los 3 clamps que están sobre los rayos y sujetar la pieza con Clamp central. c) Encender el centro de Maquinado

d) Revisar que el Cortador Plano HSS 20 mm. este colocado en la posición 1

e) Copiar el programa ¨ Maquinado de perfil en las puntas ¨ a la memoria interna de la máquina.











Máquina y herramienta: Fresa 1, Cortador de bola 9.525mm HSS

Nombre: Maquinado perfil trasero

Descripción

a) Montar la pieza con la parte frontal hacia abajo en la fresa 1.

b) Retirar el clamp central y realizar la sujeción de la pieza con 3 Clamps sobre los rayos.

c) Encender el centro de maquinado

d) Revisar que el Cortador de bola 9.525mm HSS este colocado en la posición 1

e) Copiar el programa ¨ Maquinado perfil trasero ¨ a la memoria interna de la máquina.








CONCLUSIONES

Al término de este proyecto práctico teórico se puede concluir que en base a la planeación propuesta del proceso de manufactura para un rin de material compuesto y metálico cumplió con él objetivo general, a su vez gracias a la manufactura del mismo se identificó puntos en la planeación que se pueden optimizar de manera favorable para hacer más eficiente el proceso.

En cuanto a la manufactura del aro se proponen los siguientes cambios:

Cambio en el diseño del aro para facilitar el apilamiento de las capas en

láminas continuas para obtener superficies uniformes y primordialmente

resistencia estructural

Para el cumplimiento dimensional y geométrico correcto se debió usar un

molde de metal ya que un molde de plástico reforzado tiende a deformarse

en el proceso de solidificación y su tiempo de vida es definido

El proceso de bolsa de vacío se debe sustituir con un proceso de RTM

porque da un control dimensional más eficiente dándonos la oportunidad de

usar resina epoxica la cual proporciona mayor resistencia estructural

A lo que refiere el centro se sugieren los siguientes cambios:

En lo que refiere a la fundición se utilizó un modelo de cera para obtener la

materia prima en Aluminio, se observó que la cera es un material funcional

para el moldeo en arena, por lo que se propone maquinar el centro del rin

en cera dejándole un 10% de exceso en el volumen debido a la contracción

que sufren el Aluminio al solidificarse. Independientemente de esto la pieza

se tiene que maquinar únicamente para dar el acabado final, lo que implica

menos desperdicio de material y gran reducción en tiempos. La cantidad de

materia prima utilizada fue de 24 kg de Aluminio y con la mejora propuesta

se puede utilizar hasta 6 kg de aluminio.

Debido a que el centro de maquinado era utilizado para diversos proyectos

el centro del rin se desmonto y se montó en repetidas ocasiones lo cual

propicio pérdida de la precisión, por lo tanto se sugiere desmontar la pieza

hasta el término del maquinado.

Otro punto importante a mejorar es la trayectoria que sigue la herramienta

de corte. Se tiene que cerciorar que dicha herramienta se desplace lo

menos posible entre cada operación, con el fin de reducir tiempos de

maquinado.

La sujeción de la herramienta más óptima es cuando el filo de los gavilanes

es lo único que queda expuesto del cono de sujeción, por supuesto esto va

a varía de acuerdo a la profundidad de corte que se necesita de dicha


herramienta, esta consideración es para disminuir la vibración de la

herramienta al estar cortando, ya que en el caso de esta pieza la

herramienta dejó rayones.

Uno de los puntos a considerar en la selección de herramientas de corte es

el radio mínimo plasmado en los planos de detalle, debido al no contar con

una amplia gama de herramientas se tuvo que adaptar un mismo tipo de

cortador para muchas operaciones que por su geometría necesitaba una

herramienta con diferentes características.

Propuesta de molde metálico.


BIBLIOGRAFÍA

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