MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN

Vol. 1

Segunda edición

MATERIALES YPROCESOS DEFABRICACIÓN

Vol. 1

Segunda edición

E. P. DeGarmo / J. T. Black / R. A. Kohser

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · México

Título de la obra original:

Material and Processes in Manufacturing, Sixth Edition

Edición original en lengua inglesa publicada por

Macmillan Publishing Co., New York, U.S.A.

Copyright © Macmillan Publishing Company, a Division of

Macmillan, INC.

Edición en español:

© Editorial Reverté, S. A., 1994

Versión española coordinada y traducida por:

Dr. J. Vilardell

Profesor de la Universidad Politécnica de Barcelona

Propiedad de:

EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B

Tel: (34) 93 419 33 36 08029 Barcelona. España

reverte@reverte.com

www.reverte.com

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res del copyright, bajo las sanciones establecidas por las leyes.

# 1064

Edición en papel: ISBN 978-84-291-4823-7 Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9095-3

Prefacio

Esta sexta edición de Materiales y Procesos de Fabricación es la más reciente revisión del texto, que tan buena acogida recibió, introducido por E. Paul DeGarmo en 1957 y sucesivamente revisado en 1962, 1969, 1974 y 1979. En este caso, el Profesor De­Garmo sigue mantenien.do la dirección del conjunto de la obra, si bien ha delegado gran parte de la redacción a dos nuevos coautores: el Dr. Ronald A. Kohser y el Dr. J.T. Black. El Dr. Kohser se responsabiliza de las secciones de materiales y de proce­sos de moldeo, conformación y unión. El Dr. Black preparó la secciones relativas a las operaciones de mecanizado y a las de procesos y técnicas relacionadas con la fa­bricación.

Mirando atrás, nos encontramos con que las tendencias que se sefialaban en la quinta edición, es decir, más automatización y más mandos por ordenador, además de mayor acentuamiento en la productividad con calidad, se han manifestado hasta un punto tal que, actualmente, Estados Unidos se halla trabada en una batalla de productividad de dimensiones mundiales, sin parangones desde la 11 Guerra Mun­dial. En concreto, países como el Japón han efectuado incursiones importantes en zonas comerciales e industriales en tiempos consideradas dominio exclusivo de Esta­dos Unidos. Los japoneses lo han conseguido desarrollando sistemas de fabricación significativamente distintos en filosofía, metodología y complejidad. Estrategias ta­les como la producción «en el momento preciso» y «el control de calidad total» han revolucionado este terreno. Los tiempos de preparación de máquina se reducen hasta el punto en que se hace económico producir en pequefias cantidades. Mejoran y aumen­tan el interés del operario y todo el personal de la compafiía asume su responsabili­dad ante el perfeccionamiento de la calidad. El comprobado éxito de tales métodos y filosofías obligan a implantarlos en todo el mundo.

La actividad fabril se está viendo literalmente invadida por los ordenadores y microprocesadores y es esperable que con ello evolucione y se desarrollen nuevas apli­caciones. Los sistemas de control lógicos manejarán todo género de máquinas. El di­sefio y la fabricación ayudados por ordenador se emparejarán estrechamente con los ensayos y la verificación ayudados por ordenador, de tal modo que todo el siste-

V

VI Prefacio

ma de producción caerá bajo el control de los ordenadores. Los robots industriales ejecutarán las operaciones con precisión y fiabilidad extremas.

En la presente edición se reflejan todos esos cambios con la esperanza de que, a la vez que sirva de texto en las escuelas de ingeniería y en la industria de Estados Unidos y muchos otros países, contribuya al progreso significativamente. Se han de­dicado espacios considerables a la robótica, a la fabricación asistida por ordenador y a las nuevas teorías sobre gestión de fabricación (tales como tecnología en grupo, fabricación en el momento preciso y control de calidad integrado), ya que los autores reconocen en ellos a los elementos teóricos y materiales de las plantas fabriles del futuro.

Un ingeniero puede intervenir en un proceso de fabricación de una diversidad de formas: en la investigación de materiales, en el estudio y proyecto de maquinaria e instalaciones y en las técnicas de transformación de materiales. Sin embargo, la in­mensa mayoría se ocupa de materiales y técnicas en cuanto a procedimientos para hacer realidad los proyectos. En la etapa de proyecto se toman un buen número de decisiones en torno a los materiales a utilizar y a los procesos a seguir para transfor­mar o elaborar los primeros. En alguna fase de la secuencia de proyecto, selección de materiales y elaboración alguien debe decidir respecto a los materiales a utilizar y a los procesos de transformación o elaboración a aplicar. Dado que dichas decisio­nes afectan siempre al coste del producto, y que las mismas pueden afectar crítica­mente a su funcionalidad, es en sumo grado conveniente que sea el proyectista quien las tome o, al menos, que participe en ellas; de lo contrario, quizá resulten afectados los costes o la funcionalidad, o ambos a la vez. El proyecto, los materiales y el proce­so deben considerarse componentes de una entidad única.

Si bien continúan apareciendo materiales nuevos, y habitualmente más específi­cos, el hecho de que las reservas de materias primas de nuestro planeta son limitadas es algo que hoy día nadie discute. En los años más recientes se han creado materiales nuevos para hacer frente a demandas especiales, a medida que éstas surgen, los cua­les suelen requerir unas técnicas de fabricación particulares y más precisas con el fin de aprovechar eficazmente las propiedades de tales materiales. Actualmente, y en el futuro, la economía de escasez y la necesidad de reciclar harán necesario emplear con el mejor rendimiento los materiales disponibles, y estos factores jugarán un papel ca­da vez más importante en la selección de los mismos. Del mismo modo, se han ido haciendo cada vez más comunes máquinas más perfeccionadas y versátiles, pero és­tas, en su mayoría, sólo pueden aprovecharse al máximo, o por lo menos con el me­jor rendimiento, si el proyectista conoce bien sus posibilidades y limitaciones. Por ello, aunque el propósito fundamental de esta edición siga siendo el mismo que en el de las anteriores, se ha acentuado la atención a la interrelación entre proyecto, se­lección de materiales y técnicas de fabricación, acento que se realza especialmente en el capítulo 10 titulado «Selección de materiales». Se prosigue haciendo hincapié en los procesos básicos, pero recalcando más la manera en que los mismos se llevan a cabo con las modernas máquinas herramienta polivalentes. También se resalta la uti-

Prefacio VII

lización de los mandos de lectura digital y de los sistemas de mando numérico, por cinta y por ordenador. Se dedica atención particular a los procesos y técnicas de fa­bricación que posibilitan producir directamente piezas en su forma final, o casi final, con poco o ningún desperdicio de materiales.

Aunque se haya realizado un esfuerzo considerable para incluir todos los progre­sos más recientes, importantes y prometedores, tanto en materiales como en proce­sos, el acento se sigue cargando esencialmente en los conceptos fundamentales, para ofrecer con ello una base consistente desde la que conocer los fenómenos ya estudia­dos y también Jos que aún no se utilizan. Así pues, Jos capítulos sobre materiales están destinados a realzar por qué unos materiales u otros son adecuados para ciertas aplicaciones, por qué reaccionan como lo hacen al sufrir determinados procesos y por qué deben tratarse de un modo específico para obtener Jos resultados deseados. Cómo se elabora un cierto material es también un objetivo importante, pero secun­dario. Análogamente, respecto a las máquinas herramienta, se insiste primordialmente en lo que son capaces de hacer, en cómo lo hacen, en su precisión y en sus ventajas y limitaciones relativas, especialmente las económicas. Aunque debe prestarse alguna atención a su constitución y funcionamiento, ello es exclusivamente al objeto de que se conozca mejor la relación entre las herramientas y los objetivos precedentes.

En la quinta edición se presentaban casos prácticos al final de diversos capítu­los. Esta edición contiene treinta y nueve de ellos, en su mayor parte fruto de la expe­riencia profesional de uno de Jos autores. Se señala aquí que no siempre guardan relación únicamente con el tema tratado en el capítulo que cierran, sino que su solu­ción se basa en el contenido de todo lo tratado hasta ese punto del texto. (A veces, el lector deberá consultar las fuentes de información convenientes para hacerse con Jos datos que necesite, tal como le ocurriría en la realidad.) Estos casos prácticos son extremadamente útiles para despertar la conciencia del estudiante acerca de la gran importancia que tiene coordinar correctamente un proyecto con la selección de mate­riales y el proceso de manufactura, con el fin de lograr un producto satisfactorio y exento de fallos.

Al igual que en ediciones anteriores, se han cuidado mucho las ilustraciones. Las fotografías se han elegido con el criterio de que instruyan y no de que hagan publici­dad de un producto determinado. Un buen número de ellas se han realizado especial­mente para este texto y en ello numerosas empresas han cooperado de muy buen grado. Ahora bien, debe tenerse presente que en muchos casos se han retirado guardas de protección de las máquinas para dejar al descubierto detalles importantes y que el personal que aparece no está provisto de los indumentos de protección que llevaría en caso de trabajo normal.

El libro sigue estando ordenado de modo que pueda emplearse en cursos que traten de materiales y procesos a la vez, o bien en cursos que traten sólo de procesos de fabricación. En el primer caso, a lo largo de todos los capítulos se encontrará un tratado completo tanto de materiales como de procesos y técnicas. En el segundo ca­so, pueden omitirse los capítulos 2 a 10; aunque éstos puedan aprovecharse como

VIII Prefacio

texto de consulta rápida donde se explica por qué los materiales se comportan como lo hacen.

Los autores desean reconocer la ayuda y cooperación de sus esposas y familias du­rante la preparación de esta sexta edición. Sus discusiones con estudiantes y colegas les fueron de muchísima utilidad e influyeron en la revisión de algunos capítulos cla­ve. Agradecen, además, sinceramente los ánimos y críticas constructivas recibidos de tantas personas.

E. Paul DeGarmo J Temple Black Ronald A. Kohser

Índice analítico

Prefacio V

MATERIALES

1 Introducción 3 2 Propiedades de los materiales 37 3 Naturaleza de los metales y aleaciones 75 4 Obtención y propiedades de los metales

industriales ordinarios 103 5 Diagramas de equilibrio 133 6 Tratamientos térmicos 159 7 Productos siderúrgicos (aceros y ferroaleaciones) 195 8 Aleaciones no férreas 217 9 Materiales no metálicos: plásticos, elastómeros,

cerámicas y materiales compuestos 241 lO Selección de materiales 281

11 TÉCNICAS DE FUNDICIÓN Y MOLDEO

11 Técnicas de moldeo 299 12 Pulvimetalurgia 371 13 Fundamentos de la conformación de los metales 389 14 Operaciones de trabajo en caliente 409 15 Operaciones de trabajo en frío 447

IX

X

111 PROCESOS DE MECANIZACIÓN

16 Metodología y verificación 17 Aptitud de un proceso y control de calidad 18 Arranque de viruta 19 Limado y cepillado 20 Torneado y mandrinado 21 Taladrado y escariado 22 Fresado 23 Mecanizado abrasivo 24 Brochado 25 Aserrado y trabajos de lima 26 Operaciones de mecanizado no tradicionales 27 Tallado y conformación de roscas 28 Fabricación de engranajes

IV PROCESOS DE UNIÓN

29 Soldadura por forja, oxigás y eléctrica por arco 30 Soldadura por resistencia 31 Otros procedimientos de soldadura

y operaciones afines 32 Corte con soplete y por arco eléctrico 33 Soldadura fuerte, soldadura blanda,

unión con adhesivos y fijación mecánica 34 Problemas potenciales de la soldadura

y el corte térmico

Índice analítico

521 575 595 647 661 713 743 767 813 827 845 877 903

941 975

991 1013

1027

1051

V PROCESOS Y TÉCNICAS RELATIVAS A LA FABRICACIÓN

35 Trazado 36 Posicionadores y montajes 37 Tratamientos superficiales decorativos

y protectores 38 Sistemas de fabricación y automatización 39 Sistemas de producción

1065 1077

1097 1127 1201

Índice analltico XI

CASOS PRÁCTICOS

1 Economía de la producción en masa 35 2 El caso del acero resuelto 73 3 Unos datos mal empleados 101 4 El cable roto 130 5 Cómo utilizar incorrectamente un diagrama de fases 157 6 El martillo de fragua astillado 194 7 Los puentes diferenciales termotratados 216 8 Las bielas de aluminio que sustituyeron

a otras de acero 240 9 La bicicleta reparada 280

10 La tubería de vapor subterránea 295 11 Las hélices defectuosas 369 12 Un engranaje que dura poco 387 13 Los cojinetes rotos 408 14 Material para un recipiente industrial

resistente a la corrosión 444 15 La hélice rota 518 16 Un palier controvertido 573 17 Unos espárragos roscados de cabeza esférica 593 18 El implante quirúrgico roto 646 19 Los anillos de retención de aluminio 659 20 Aspectos económicos del mecanizado de

un árbol de acero 8620 laminado en caliente 711 21 Estudio del punto muerto de

una pieza de torno 739 22 El caso del acero rápido contra el metal duro 765 23 Un pie de fundición 811 24 El palier deslizante 826 25 Los collarines de la compañ.ía Yo-Ko 843 26 Los tor_nillos atmosféricos 875 27 El misterio del perno de bronce 902 28 ¿Cómo se abocinó el tubo? 937 29 Los caballetes del contenedor 973 30 El enganche de remolque roto 989 31 Un árbol con leva circular 1012 32 El palier roto 1024 33 El rotor de una trituradora

de basuras industrial 1048 34 La hélice agrietada 1061

XII

35 El caso del acoplamiento del volante de dirección

36 La instalación de un puente guía 37 La rotura de una rueda de aluminio 38 La pieza con el agujero triangular 39 El accidente del trineo motorizado

Apéndice Índice alfabético

Índice analítico

1075 1095 1124 1198 1229 1231 1241

PARTE 1

MATERIALES

Capítulo 1

Introducción

Materiales, fabricación y nivel de vida. El nivel de vida de toda civilización lo definen, esencialmente, los bienes y servicios al alcance de sus gentes. En la mayoría de los casos, los materiales se utilizan en forma de productos manufacturados. Es tradicional dividir estos productos en dos clases: bienes de consumo y bienes de pro­ducción. Los bienes de producción son aquellos que fabrican otras compañías para ser utilizados en la manufactura ya sea de bienes de producción o de bienes de consu­mo. Los bienes de consumo son los que adquiere directamente el consumidor, o bien el público en general. Por ejemplo, alguien ha de construir el tren de laminación don­de obtener las planchas de acero que, luego, se conforman para convertirse en los guardabarros de nuestros automóviles. Análogamente, son numerosas las industrias de servicios que dependen extensamente del uso de productos manufacturados, exac­tamente del modo en que la industria agrícola depende extensamente del uso de ma­quinaria agrícola pesada para su buen rendimiento.

Cuanto más eficazmente puedan producirse y transformarse las materias primas en productos manufacturados utilizables, evitando a la vez el despilfarro y alcanzan­do el fin deseado con la calidad prefijada, tanto mayor será nuestra productividad y mejor nuestro nivel de vida.

Se ha vinculado la historia del hombre con la capacidad de éste para trabajar las materias primas, a partir de la edad de piedra y a través de las edades del cobre y bronce, la del hierro y, hasta hace poco, la del acero, con sus refinados materiales férreos y no férreos. Ahora estamos en la puerta de la edad de los materiales hechos a medida, tales como los compuestos y como se indica en la figura 1-1, donde se deta­llan las aleaciones que, desde 1945, se han utilizado en la fabricación de las paletas de los compresores de los reactores de aviación. Conforme el material se sofistica más, con mayores resistencias y menores pesos, se hace asimismo de manufactura más di­fícil con los procedimientos de producción existentes. Las herramientas se desgastan

3

4

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o

Introducción

Variación de las tendencias en la combinación de aleaciones empleadas para paletas de compresor de motor de reacción

Aleaciones base aluminio

1950 Aceros de baja aleación

1955 1960

Compuestos metálicos superligeros

1970 1980

Año

FIGURA 1-1. Variación de las tendencias en la combinación de aleaciones emplea­das para paletas de compresor en motores de reacción. (De E.E. Weismantel, AEG-265·8/68(700), Aircraft Engine Group, General Electric Company.)

con tal rapidez, o son tan excesivamente caras, que deja de ser económica la combi­nación del material con su proceso de elaboración. Con mucha frecuencia la circuns­tancia más adversa a la que debe enfrentarse un material durante su vida es a la de su propia transformación.

Aunque ya no dependemos del uso de materias primas sólo en su estado natural, o en formas modificadas, es obvio que existe un límite absoluto a las cantidades que, de numerosos materiales, hay disponibles en la Tierra. Así, mientras prosigue cre­ciendo la variedad de materiales, aquellos recursos debemos emplearlos eficientemente y reciclar al máximo los materiales que se están agotando rápidamente. En la figura 1-2 se muestra la efectividad del reciclado. Por supuesto, éste lo único que hace es retrasar la fecha del agotamiento. Por eso es más importante una tasa de utilización anual de bajo crecimiento. El estaño (So), por ejemplo, crece anualmente el 20Jo y, actualmente, su tasa de reciclado es del 200Jo.

Introducción 5

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Porcentaje actualmente reciclado

FIGURA 1-2. Efectividad del reciclado. Los números 10, 20, 50 y 100 indican los años que el reciclado retrasa el agotamiento del metal. (De A. Hurlich, Metal Progress, Oct. 1977.)

Al igual que los materiales, los procesos han proliferado extraordinariamente en los últimos 30 añ.os, con la aparición de nuevos procedimientos para elaborar los nuevos materiales con más eficacia y menos desperdicio. Es probable que nuestras mejoras de productividad haya que achacarlas en un 400!o a los adelantos en tecnología de fabricación.

Las materias primas y los medios humanos y materiales son factores correlacio­nados en todo proceso de fabricación, los cuales deben combinarse correctamente si se desea producir económicamente. Esta importantísima idea se ilustra en la figura l-3. Lo que pueda ser la combinación óptima para un determinado producto, puede no serlo para otro. Puede ocurrir, asimismo, que la combinación óptima para produ­cir cantidades reducidas de un cierto producto rinda escasamente a la hora de produ­cir cantidades mayores del mismo producto. La combinación correcta para un producto puede resultar totalmente incorrecta para otro diferente. En consecuencia, el proble­ma debe enfocarse metodológicamente teniendo en cuenta todos los factores; para lo cual se requiere un conocimiento profundo y amplio de las materias primas y de los procedimientos y medios de fabricación por parte de quienes hayan de tomar las decisiones pertinentes.

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Cargas Cond. de utiliz. Procesos posibl. y disponibles

Selec. materiales Cantidades

MATERIAL Propiedades Fiabilidad Tratamientos Precio Calidad

PRODUCTO

Maquinaria Efectos sobre los materiales

Configuración Útiles Cantidad Calidad

Introducción

FIGURA 1-3. Correlaciones entre materias primas, proyecto y preparación de la fabri-cación de un producto. ·

Ingeniería y métodos de fabricación. La misión de la mayoría de los ingenieros consiste en proyectar artículos que han de convertirse en realidades a través del trata­miento y manufactura de materias primas. Por este aspecto de su profesión, los inge­nieros constituyen un factor vital en el proceso de elección de materias primas y su manufactura. Los ingenieros proyectistas, mejor que cualesquiera otras personas, de­ben conocer qué condiciones han de cumplir los nuevos diseños, qué hipótesis pue­den hacerse en torno a cargas y condiciones de utilización, qué medio ambiental deben soportar y qué aspecto debe presentar el producto final. Al objeto de cumplir tales exigencias, deben elegir y concretar los materiales a utilizar. En la mayoría de los ca­sos, con vistas a aprovechar los materiales y conseguir que el producto tenga la for­ma deseada, sabrán bien qué proceso(s) de fabricación seguir. Y, en ciertos casos, la

Introducción 7

elección de un material determinado puede imponer cuál es el proceso a seguir. A la vez, cuando se sigue un proceso determinado, puede que haya de modificarse el diseño, al objeto de que pueda utilizarse con eficacia y economía. Ciertas tolerancias dimensionales pueden imponer un proceso determinado y hay procesos que requie­ren determinadas tolerancias. Cualquiera que sea el caso, en la sucesión de hechos que han de transformar en realidad todo proyecto, alguien debe tomar aquellas deci­siones. Estas, casi siempre, podrán tomarlas con mucha más utilidad los propios pro­yectistas durante la fase de proyecto, con tal que posean los conocimientos suficientes y adecuados respecto a materias primas y procesos de fabricación. De no ser así, po­drían tomarse decisiones en perjuicio de la calidad del producto, o resultar éste inne­cesariamente costoso. Es, pues, manifiesto que todo ingeniero proyectista es un elemento trascendental en cualquier proceso de fabricación, y desde luego un gran beneficio para su empresa si puede proyectar con vistas a la productividad, es decir, a una producción económica.

Los ingenieros de fabricación seleccionan y coordinan los procesos y maquina­ria específicos a utilizar, o bien supervisan y coordinan su empleo. Otros diseñan úti­les especiales que posibilitan el empleo de máquinas normales en la fabricación de productos determinados. Tales ingenieros deben conocer extensamente las posibili­dades de máquinas, procesos y materias primas, de tal modo que puedan efectuarse, con eficacia y rendimiento, las operaciones propuestas sin recargar ni perjudicar las máquinas y sin afectar negativamente a los materiales objeto del proceso. Estos inge­nieros, llamados de fabricación, juegan, asimismo, un papel muy importante en las actividades de fabricación.

Un grupo de ingenieros relativamente reducido proyecta las máquinas y demás elementos que se emplean en el proceso. Se trata, evidentemente, de ingenieros pro­yectistas, los cuales, en lo que a sus productos concierne, tienen las mismas responsa­bilidades a la hora de correlacionar el proyecto con las materias primas y los procesos de fabricación. No obstante, su responsabilidad es aún mayor respecto a las propie­dades de los materiales que van a elaborar sus máquinas y a las interacciones entre aquéllos y éstas.

Queda otro grupo de ingenieros, los ingenieros de materiales, que dedican lo prin­cipal de sus esfuerzos a descubrir materiales nuevos y mejores, y cuya responsabili­dad es también el modo en que tales materiales pueden aprovecharse industrialmente y los efectos del tratamiento industrial sobre sus propiedades.

Aunque sus misiones pueden ser muy distintas, es evidente que el número de in­genieros que deben preocuparse de las relaciones mutuas entre materiales y procesos de fabricación es elevado.

Como ejemplo de las estrechas relaciones entre proyecto, selección de materiales y selección y utilización de un proceso industrial, consideremos el enchufe hembra para electrodoméstico en la figura 1-4. Dicho enchufe se adquirió en un detallista por $1,40, mientras que el fabricante habría probablemente cobrado por él unos 85 centavos. Como vemos en la figura 1-4, consta de 10 piezas. O sea, el fabricante tuvo

8 Introducción

Partes componentes 10

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4 5

Armado 6

FIGURA 1-4. Enchufe para electrodoméstico, armado y desarmado.

que producir, armar y vender las 10 piezas por menos de 85 centavos, a una media de 8,5 centavos por pieza, para sacar buenos beneficios. Esto sólo lo habrá logrado prestando muchísima atención al diseño, y a la elección de materias primas, procesos y útiles empleados en la fabricación, así como al aprovechamiento del personal.

Un enchufe para electrodomésticos es un producto relativamente simple, pero los problemas implicados en su fabricación son representativos de todos a los que deben enfrentarse las industrias manufactureras. Los elementos de diseño, las mate­rias primas y los procesos de elaboración mencionados están estrechamente vincula­dos; cada uno ejerce su efecto sobre los otros. Por ejemplo, si las dos piezas de plástico que forman el armazón hubieran de unirse entre ellas mediante tornillos y tuercas, y no mediante dos horquillas, se precisarían máquinas, procesos y métodos de mon­taje completamente diferentes. De modo parecido, el buen resultado del enchufe depende de que las horquillas se hayan construido de un material elegido acer­tadamente. Este había de ser suficientemente dúctil para que se doblara sin par­tirse, pero suficientemente resistente y rígido para que actuase de resorte, mantenien­do ambas piezas de plástico sólidamente unidas. Evidentemente, durante el diseño de enchufe y horquillas hubieron de considerarse tanto el material como el proceso, a fin de asegurar un producto satisfactorio susceptible de ser fabricado económi­camente.

La reseña de todas las dificultades a solventar hasta conseguir un enchufe para electrodoméstico por 85 centavos sería muy larga. Imaginemos la magnitud de un resumen similar para un automóvil o un cohete espacial. El hecho de que un automó­vil moderno pueda comprarse a los precios hoy habituales constituye una prueba de que la industria se ha preparado para tratar eficazmente la multitud de problemas que acompañan al proyecto y fabricación de los complicados productos modernos. La solución a tales problemas requiere ingenieros ampliamente conocedores de los fundamentos de las propiedades de los materiales y de los procesos de fabricación,

Introducción 9

y cómo aplicar ese conocimiento a todas las etapas de la producción, mediante la supervisión de la maquinaria e instalaciones dedicados a ella, y desde el disefio de la primera idea.

Sistemas de fabricación y producción. En la manufactura de productos indus­triales acostumbra a seguirse uno de los tres esquemas siguientes: de taller general, de taller de proceso en serie y de taller de proyectos. Un cuarto tipo, el de proceso continuo, es corriente en la industria química y aquí no vamos a entrar en detalles sobre el mismo ya que trata fundamentalmente con líquidos (como las refinerías de petróleo) y no con sólidos.

El más común de estos esquemas es el de taller general, que se caracteriza por una gran variedad de elementos, máquinas universales y una disposición funcional (véase fig. 38-2). Esto significa que las máquinas se reunen por su función (todos los tornos juntos, todas las fresadoras juntas, etc.) y las piezas se hacen circular en pequefios lotes entre las distintas máquinas del taller.

Los talleres de proceso en serie se caracterizan porque los lotes de piezas son mayores, y las máquinas son específicas, menos variadas y más mecanizadas. La pro­ducción puede obedecer a planes continuos o discontinuos. Si el taller es continuo, se destina esencialmente a trabajar grandes volúmenes de un único artículo y ningu­no más. Thl es el caso del enchufe de electrodoméstico. Otro ejemplo característico sería una línea transfer que produzca un bloque de motor. Si el taller es discontinuo, la línea trabaja lotes grandes, pero periódicamente se cambia para que trabaje una pieza similar pero diferente.

Un taller de proyecto se caracteriza por la inmovilidad del artículo a manufactu­rar. En la construcción son buenos ejemplos los puentes y carreteras; en el terreno de la fabricación de productos, es así como se hacen Jos grandes aviones y las Joco­motoras. Es necesario que el personal, las máquinas y los materiales acudan a pie de obra. El número de productos finales no es elevado, por lo que los lotes de compo­nentes que van a parar al producto final no es elevado. Es así que, muchas veces, el taller general y el de proyectos están relacionados, elaborando el primero pequefios lotes de piezas destinadas al segundo.

Hay, naturalmente, formas híbridas de estos sistemas de fabricación, pero el de taller general es el más corriente y puede seguir siéndolo a causa de

1 . La proliferación de productos en número y variedad, lo que supone 1& dismi­nución de Jos Jotes conforme aumenta la variedad.

2. El continuado aumento en la variedad de materiales con características muy dispares.

Por su constitución, el taller general se ha demostrado que es el menos económi­co de todos los sistemas. El núcleo del problema reside en que, por término medio, una pieza pasa sólo un 50Jo del tiempo en máquina, y el resto esperando o en traslado de una sección a la siguiente. La pieza, una vez en la máquina, sufre un proceso de elaboración real (o sea, recibiendo un valor afiadido merced al cambio de forma) só-

10 Introducción

lo durante un 300Jo del tiempo aproximadamente. El resto del tiempo se gasta, en car­garla, descargarla, verificarla, etc. La aparición de máquinas programables ha servido para mejorar el porcentaje de tiempo que pasa la máquina arrancando viruta, dado que los movimientos de la herramienta están programados y la máquina puede car­garse y descargarse automáticamente, y también cambiar de herramientas. No obs­tante, determinadas tendencias están obligando a las directivas de fabricación a considerar medios por los cuales rediseñar el taller general en si mismo al objeto de mejorar su rendimiento global. Tales tendencias han llevado a las compañías manu­factureras a examinar los beneficios de conceptos tales como el de tecnología de gru­po (GT1). La aplicación de la GT permite reorganizar el taller general en tipos de sistemas de fabricación totalmente nuevos, llamados sistemas de fabricación flexibles y sistemas de fabricación celulares. En estos sistemas, las máquinas se agrupan (dis­ponen) de modo que pueda trabajarse una familia de piezas (piezas que presentan unas necesidades de elaboración similares). En el capítulo 38 se pormenoriza esta cuestión.

Los japoneses han puesto en práctica con éxito numerosas innovaciones en la fabricación y gestión industrial. Así, se proponen un objetivo de producción para un momento preciso (JIT2), por el cual tratan de que su producción sea en partidas muy pequeñas. Su intento es reducir los tiempos de preparación de máquinas para que sea económico producir lotes reducidos, lo cual, a su vez, redunda en la calidad, el interés de los trabajadores, la productividad y la reducción de existencias y control de almacenes. Este sistema JIT impide que se produzcan grandes cantidades de pie­zas defectuosas y ha permitido implantar un sistema de control de calidad total (TQC3) en el que el trabajador es el primer responsable de la calidad. De ambos sis­temas, JIT y TQC, se trata en el capítulo 39. Por si mismo, el sistema JIT amplía la función y la responsabilidad de los trabajadores en su labor. Además, para la im­plantación eficiente de las técnicas de diseño con ayuda de ordenador y de fabrica­ción con ayuda de ordenador (CAD/CAM4) resulta difícil encontrarle parangón.

Los talleres de producción en serie se han caracterizado por su maquinaria espe­cífica pensada para producir en grandes cantidades. Este es el que parece ser el punto de vista aceptado acerca de la fabricación en masa: empleo de operarios «menos ca­pacitados» en una gama de operaciones limitada. De hecho, la producción en masa supone la fabricación de muy grandes cantidades de productos normalizados, produ­cidos mediante el empleo de la división o especialización en el trabajo.

Un taller de proyectos se caracteriza por el movimiento del personal, máquinas, equipos y materiales necesarios hasta el artículo en fabricación, siendo característico de dicho artículo un tamaño excesivo para que pueda trasladarse fácilmente, como es el caso de los aviones y locomotoras, o bien ser realmente necesario, como un puente

1 GT: Group Technology. 2 JIT: Just-In Time. 3 TQC: Total Quality Control. 4 CAD/CAM: Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Manufacturing.

Introducción 11

o un edificio. La construcción de un edificio puede considerarse un proyecto. Ade­más, cuando se edifica una urbanización, en la que se construyen numerosas casas en un sólo emplazamiento, los equipos se trasladan de una casa a otra, pasando por diversas fases de la construcción. En términos generales, en un taller de proyectos los lotes son pequeños y los artículos finales, caros. Desde luego, incluso las casas pueden construirse en una línea de una planta industrial y trasladarse en camión has­ta su emplazamiento con reducciones de costo importantes. En el capítulo 38 se resu­men las características de los sistemas de fabricación básicos.

Estudio de formas. En la elaboración de piezas metálicas, el objetivo fundamental es conseguir un componente dotado de uná configuración, un tamaño y un acabado pretendidos. Toda pieza tiene una forma definida por superficies de varios tipos y dimensiones repartidas y dispuestas unas con relación a otras. Por consiguiente, ca­da pieza se elabora confeccionando las superficies que coPstituyen dicha forma. Las superficies pueden ser

l. Planas o lisas. 2. Cilíndricas: exteriores o interiores. 3. Cónicas: exteriores o interiores. 4. Irregulares: curvas o alabeadas.

En la figura l-5 se ilustra cómo estudiar una forma separándola en sus superfi­cies limítrofes básicas. Las piezas se realizan mediante procesos que (1) eliminan por­ciones de un bloque de material en bruto hasta producir y dejar como se desee las superficies limítrofes, o bien que (2) obligan al material a conformarse en una estruc­tura estable provista de las superficies limítrofes buscadas. En consecuencia, al dise­ñar un objeto, se delinean y especifican la forma, el tamaño y la disposición de las superficies limítrofes. Luego, esa configuración debe estudiarse para determinar qué materiales proporcionarán las propiedades deseadas y cuáles pueden ser los procesos mejores para conseguir los productos finales al precio más razonable posible. Esto se llama diseño productivo.

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Cónica externa Cilíndrica interna Irregular curva

FIGURA 1-5. Objeto formado por siete superficies geométricas. Las líneas de trazos son las superficies interiores.

12 Introducción

Terminología. Los vocablos actualmente al uso relativos a la producción poseen una categoría u orden que es importante comprender bien. El orden de categoría que se muestra en la tabla 1-1 no es absoluto sino relativo, y los vocablos suelen solaparse en el uso popular que, a veces, es contradictorio. En este texto un sistema de producción se refiere a la totalidad de una empresa o firma y dentro del mismo quedan abarca­dos los sistemas de fabricación.

Nos encontramos aquí, evidentemente, con una dificultad concerniente a los tér­minos fabricación y producción. El mismo término puede referirse a muchas, y dife­rentes, cosas. Por ejemplo, «taladro» puede referirse a la máquina herramienta que realiza tal tipo de operaciones; a la operación en sí, la cual puede efectuarse en mu­chos tipos de máquinas distintas o bien, a la herramienta, la cual existe en muchas formas distintas. Por consiguiente, es importante emplear vocablos y expresiones mo­dificantes siempre que sea posible: «En la taladradora radial abrir un orificio con una broca de 25 mm». La atención de este libro se dirige al conocimiento de los pro­cesos, máquinas y herramientas necesarios para fabricar y al modo en que interac­túan con los materiales a elaborar.

Procesos de fabricación básicos. Los procesos de fabricación pueden agruparse en cinco tipos:

l. Fundición o moldeo 2. Conformación y corte 3. Mecanizado (eliminación de material) 4. Montaje/ensamblado 5. Acabado 6. Tratamientos térmicos 7. Otros

Estos tipos no son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, hay operaciones de acabado en las que interviene la eliminación de pequeñas cantidades de material o una cierta conformación de metal. Para unir o eliminar metal, o bien para tratamien­to térmico, puede utilizarse láser. En ocasiones, se presentan operaciones de cizalla­do, que en realidad consiste en cortar el metal, pero se contempla como un proceso de conformado (de chapas). Así pues, estas categorías no son, ni con mucho, perfectas.

En la fundición y el moldeo se introduce material licuado, granular o en polvo en la cavidad de un molde previamente preparado. El material licuado (generalmente algún metal fundido) se solidifica y adquiere la forma de la cavidad, reteniéndola cuando se retira el molde, abriéndolo o rompiéndolo. Cuando se emplea un material granular o en polvo, debe aplicarse una presión considerable para obligarlo a amol­darse a la forma de la cavidad del molde y a adquirir la densidad conveniente. Mu-

TABLA 1-1 Vocabulario de producción

Vocablo

Sistema (producción)

Proceso o secuencia de operación

Máquina ó máquina herramienta

Fundición

Operación (a veces llamada proceso)

Herramientas o herramental

Significado

Todos los aspectos de personal, máquinas, materiales e infor­mación, considerados en con­junto, necesarios para fabricar piezas o productos; integración de todos los puntos críticos del sistema (véase fig. 38-4)

Serie de operaciones de fabrica­ción con el resultado de unos productos finales concretos; el sistema de fabricación es una ordenación o disposición de nu­merosos procesos, como ocurre en un taller general o en un ta­ller de producción en línea

Elemento de equipamiento con­cebido para realizar procesos concretos; a menudo llamada máquina-herramienta; las má­quinas se encadenan para for­mar un proceso de fabricación

Conjunto de operaciones efec­tuadas con máquinas, o con­junto de tareas realizadas por un hombre en un puesto de tra­bajo de una línea

Acción o tratamiento concretos, cuyo conjunto forman la fun­ción de un operario

Se refiere a los utensilios usados para sujetar, cortar, conformar, o deformar los materiales a tra­bajar; llamadas herramientas de corte con relación al meca­nizado; pueden ser posiciona­dores y montajes para sujetar piezas; y punzones y estampas en la conformación de metales

Ejemplos

Una firma que hace motores, una planta de ensamblado, una fábrica de vidrios, fun­dería.

Moldeo por inyección, lamina­do de planchas de acero, sol­dadura por puntos de carro­cerías de automóvil, serie de operaciones enlazadas

Soldadura por puntos, fresa­dora, torno, taladradora, fra­gua, martinete, fundidora de moldes

Accionar torno, verificador, ensamblado final, conductor carretilla elevadora

Taladrar, escariar, doblar, sol­dar, tornear, refrentar, fresar, extrudir, termotratar

Muela, broca, macho de ros­car, fresa radial, estampa, molde, mordaza, tornillo de banco de tres mordazas

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14 Introducción

chas veces se aplica calor, además de presión. Cuando el material alcanza permanen­temente la forma y la densidad deseadas, se abre el molde y se retira la pieza.

Una ventaja muy importante de la fundición y el moldeo es que, en una opera­ción única, los materiales se hacen pasar desde su estado en bruto a una forma útil. En la mayoría de los casos, existe una ventaja secundaria y es que el material sobran­te, o chatarra, puede reciclarse fácilmente. En la figura 1-6 se ilustran esquemática­mente las ideas básicas de ambos procesos.

Es corriente clasificar los procesos de fundición atendiendo a los moldes. Si el molde es permanente y puede emplearse repetidamente, se dice que el molde es fijo o durable. Por el contrario, si no lo es y debe prepararse uno nuevo en cada colada, se dice que el molde es perdido. En el capítulo 11 se tratan los pormenores de estos procesos. Los procesos de moldeo acostumbran a clasificarse de acuerdo con el ma-

Mazarotas

Semicaja superior

Semicaja inferior

Agujero de colada Pieza

Semicaja inferior

Agujeros de colada

FIGURA 1-6. Procesos de moldeo. Moldeo en arena. Las cavidades en la arena se consiguen mediante modelos. (Dcha.) Moldes metálicos permanentes reutilizables. (De Manufacturing Producibility Handbook; cortesía de General Electric Company.)

TABLA l-2 Procesos básicos de conformación y corte de metales

Nombre

Laminado

Extrusión

Estirado

Estiraje

Prensado o embutición profunda

Acuñado

Martillado

Significado

Reducción del espesor o confor­mación de la sección transversal de planchas o barras, pasándo­las por parejas de rodillos

Obligar al metal, frío o caliente, a pasar por hileras para obtener perfiles continuos de sección transversal prefijada

Impulsar bandas metálicas (pleti­na) por hileras para que formen tubos; impulsar barras o alam­bres por hileras para acabado di­mensional y reducción de diámetro

Alargar un material, para eliminar retorcimientos, endurecer, redu­cir espesor o conformar sobre horma

Aplicar grandes fuerzas, con o siri una pieza, o forzarla dentro de otra; o para mantener dos piezas comprimidas una contra otra, mientras se calientan, se adhieren o estratifican

Grabar o imprimir un motivo su­perficial sobre metal frío, o for­zar una pieza a una medida de acabado aplicando estampas a grandes presiones

Golpes repetidos, para vibrar vio­lentamente, forjar en basto o aplastar

Ejemplos

Laminado de perfiles redondos, hexagonales o cuadrados; lami­nado de raíles, conformación por laminado de patas de silla, guías de ventana, chasis de automóvil, partes de radiador

Guías de aluminio para ventana, tubos de dentífrico, tubos sin cos­tura, mangueras de plástico, fi­bras sintéticas, molduras y adornos

Tubos, conductos, alambres por hileras; bandas metálicas por ro­dillos

Enderezado de barras, alambre, tubos y bandas; arrollado por tracción de alambre y bandas desde y hacia carretes y bobinas; tensado de alambres y varillas pa­ra pretensar hormigón

Cacerolas y sartenes, pantallas de lámparas, guardabarros de auto, tapas de máquinas de escribir, frontales de hornos o neveras; montaje del eje de un motor eléc­trico en las delgas, o mangos en cabezas de martillos

Medallas, placas, escalas, pomos, botones, adornos, contactos eléc­tricos, salientes de soldadura

Forjar, clavar, desmoldear piezas o noyos, conificar extremos de piezas, recalcar (acortar y engro­sar piezas), encabezar clavos y tornillos

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TABLA 1-2 (continuación)

Nombre

Forja

Curvado

Doblado

Repujado 1

Engatillado­rebordeado

Conformado

Enrollado

Cizallado

Significado

Estampar, comprimir o martillear metal, habitualmente caliente, entre estampas, para conformar piezas en basto

Flexión de un material más allá del límite elástico al objeto de pro­vocar un cambio de forma per­manente

Doblar metal en chapa sobre hor­mas rectas para obtener pliegues agudos

Generación de una «forma de re­volución» a partir de un disco de chapa, estirándola y curvándo­la a la vez que gira; la fuerza se aplica sobre un radio progresiva­mente creciente, haciendo que el disco adopte la forma de la hor­ma en la que se apoya

Unión o fijación comprimiendo entre sí bordes doblados de cha­pa metálica

Arrollamiento cilíndrico de cha­pas; curvado longitudinal en do­bleces, pliegues y engatillados, en bandas largas

Arrollar o plegar sobre sí alambres o tiras para que adopten una cierta configuración

Dividir en dos chapa, varilla o re­dondos, colocando material en el ángulo agudo formado por dos cuños que se deslizan uno respecto a otro

1 A veces. se conoce también como «repulsadO>>.

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Ejemplos

Cigüeñales, bielas, martillos, lla­ves de paso, fuentes, bolas en basto (para cojinetes), engrana­jes, árboles, cuchillas, horquillas, palancas.

Tubos, planchas de acero, raíles, herraje artístico, herrajes de re­fuerzo, soportes, miembros es­tructurales

Paneles de armario, puertas de hornos, cajas de fibra y me­tálicas, conductos de calor

Thpas de acceso, tolvas, cubetas de mezcla, paneles de carrocería, secciones de avión, recipientes para máquinas de cocina, reci­pientes de tratamiento

Tambores, cajas, latas, conductos de calor, tubería flexible

Tambores, calderas, depósitos; adornos, encofmdos para hormi­gón, techos ondulados, canalo­nes; miembros para muebles de acero

Espiras, muelles, cilindros metáli­cos, árboles, chapas, contracha­pados

Cizallas para chapa, cortahierros y cortabarras, alicates para alam­bre, tijeras para redondos, ranu­rado, tronchadura de esquinas, recorte de chapas a medida, re­

. corte de sobrantes, corte de papel