Competencia específica

Conoce los diferentes procesos de cambio de forma de los materiales para definir el más adecuado en la fabricación de productos.

Fundición

Se denomina fundición y también esmelter al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas, pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

El proceso tradicional es la fundición en arena. La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.

Hierro Colado

El hierro colado o fundición, fundamentalmente es una aleación a base de: hierro, silicio y carbono. El contenido de carbono es más elevado que en los aceros que varían desde 2.5 a 4.0%. Existen dos tipos de hierro colado o fundición: la fundición gris y la fundición blanca, cuyo nombre lo recibe por el color característico en la fractura de una pieza colada.

a) Fundición gris

Este es un tipo de aleación cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris. El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2 % de carbono y más de 1 % de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre.

La composición típica para obtener una microestructura grafítica es de 2.5 a 4 % de carbono y de 1 a 3 % de silicio.

b) Fundición blanca

La fundición blanca es fundición de hierro en la que todo el carbono está combinado bajo la forma de cementita. Se distinguen porque al fracturarse presenta un color blanco brillante. Es un tipo de fundición menos fluida que la gris y al solidificarse se produce algo de contracción.

El porcentaje de carbono presente en esta fundición oscila entre un 1,8 y un 3,6 %, mientras que el contenido en silicio es bastante bajo, entre el 0,5 y el 2 %. Además, contiene manganeso en cantidades que oscilan entre un 0,2 y un 0,8 %, un 0,18 % de fósforo y un 0,1 % de azufre. Su estructura es fibrosa y de grano fino.

Es más frágil que la fundición gris se emplea principalmente para obtener el hierro maleable, el cual se obtiene recociendo la fundición blanca y convertirla en un hierro más dúctil y tenaz.

Fundición Centrifuga

La fundición centrífuga es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se puede generar al hacer girar el metal en tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición centrífuga:

• Fundición centrífuga real

• Fundición semicentrífuga

• Centrifugado

a) Fundición centrífuga real

En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde que está girando para producir una parte tubular. Ejemplos de partes hechas por este proceso incluyen tubos, caños, manguitos y anillos. El metal fundido se vacía en el extremo de un molde rotatorio horizontal.

La rotación del molde empieza en algunos casos después del vaciado. La alta velocidad genera fuerzas centrífugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde. Por tanto, la forma exterior de la fundición puede ser redonda, octagonal, hexagonal o cualquier otra. Sin embargo, la forma interior de la fundición es perfectamente redonda (al menos teóricamente), debido a la simetría radial de las fuerzas en juego.

b) Fundición semicentrífuga

En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas en lugar de partes tubulares. La densidad del metal en la fundición final es más grande en la sección externa que en el centro de rotación. El centro tiene poco material o es de poca densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente, excluyendo así la porción de más baja calidad.

Los volantes y las poleas son ejemplos de fundiciones que pueden hacerse por este proceso. Se usan frecuentemente moldes consumibles o desechables en la fundición semicentrífuga, como sugiere nuestra ilustración del proceso.

c) Fundición centrifugada

Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de cavidades colocadas simétricamente en la periferia, de manera que la fuerza centrífuga distribuya la colada del metal entre estas cavidades. El proceso se usa para partes pequeñas, la simetría radial de la parte no es un requerimiento como en los otros dos métodos de fundición centrífuga.

Fundición de Precisión

La fundición de precisión, también conocido como fundición de cera perdida, es un proceso de fundición de precisión que se utiliza para crear las partes metálicas de diferentes metales y aleaciones.

La fundición de precisión se utiliza típicamente para las piezas de metal que requieren piezas de fundición de pared delgada y complejas. Además, se puede utilizar para la fundición de piezas metálicas que requieren intrincados detalles, precisión y formas que no se puede lograr con otros métodos.

a) El proceso

El proceso de fundición de precisión comienza por hacer un patrón que tenga la misma forma que la pieza acabada fundida. Un patrón sacrificado es el nombre utilizado para el patrón, porque se crea el patrón de cera y se derretirá en el proceso. En concreto, se hace el patrón mediante la inyección de cera en un molde de inyección de cera de metal.

A continuación, se sumerge el modelo de cera en una mezcla de cerámica cubierta con estuco de arena, repitiendo el proceso varias veces hasta conseguir el espesor deseado. El espesor dependerá de las especificaciones del producto terminado y qué materias primas utilizarás para hacer el producto final.

b) Molde

Una vez que la suspensión de cerámica se ha secado, el molde se coloca en un horno. Éste derrite la cera, dejando un molde de una sola pieza que se puede llenar con el material deseado. Estos moldes se hacen típicamente usando litografía estéreo u otra tecnología asistida por computadora, lo que hace que el molde sea de alta precisión. Ejemplos de productos fabricados con fundición de precisión incluyen piezas de aviones, tales como álabes de la turbina, piezas de armamento, herramientas de mano y joyería.

c) Ceras

Se pueden usar una variedad de ceras industriales para la fabricación de moldes de fundición de precisión. Patrón de cera de llenado, patrón de cera emulsionada, patrón de cera recta, cera de baja expansión y máquina de inyección automática de cera son algunas de las ceras comúnmente utilizadas para este proceso. La viscosidad, punto de fusión y tipos de inyecciones utilizadas son las consideraciones principales que determinarán el tipo de cera que se debe utilizar.

d) Materiales

Prácticamente cualquier tipo de metal se puede fundir con la fundición de precisión, incluido el acero de aleación, acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, cobre, níquel, hierro, plomo, magnesio, estaño, titanio y zinc. Incluso también se pueden utilizar muchos metales preciosos.

Formado mecánico

Son procesos de deformación en los cuales una pieza inicialmente simple es deformada plásticamente por medio de herramientas para obtener una configuración final deseada.

Forja

Es el proceso de dar forma y moldear metales a través de martilleo o giros. El proceso comienza con un lingote, el cual es calentado a su temperatura de deformación plástica y después es deformado por los moldes al tamaño y forma deseada. 

Forja de dado abierto

La forja abierta implica la conformación de partes metálicas calentadas entre un molde superior unido a un pistón y un molde inferior unido a un martillo, yunque o cabezal. Las partes metálicas se trabajan a temperaturas apropiadas, que oscilan entre 260 ° C y 1315 ° C, y se conforman gradualmente en la configuración deseada mediante el martilleo o prensado de la pieza de trabajo.

Forja de anillo rodado

El proceso de laminado del anillo comienza con un metal circular que previamente se ha alterado y perforado (utilizando el proceso de forjado abierto) para formar una "dona". Esta dona se calienta por encima de la temperatura de recristalización y se coloca sobre el rodillo. Este rodillo se mueve a continuación bajo presión hacia un rodillo impulsor que gira continuamente para reducir el espesor de la pared, aumentando así los diámetros del anillo resultante.

Prensado

En este método, es necesario proporcionar un molde de metal, que consta de una parte superior y una parte inferior. Se inserta una placa de metal entre ellos y se aplica presión, y se corta la placa en la forma debida.

Estirado

La formación de estirado es un proceso de formación de metal en el que una pieza metálica se estira y se dobla simultáneamente sobre un troquel para formar piezas contorneadas grandes. El estiramiento se realiza en una prensa extensible, en la que una pieza se agarra de forma segura a lo largo de sus bordes agarrando las mordazas de sujeción. Cada una de las mordazas de sujeción está unida a un carro que se estira mediante fuerza neumática o hidráulica para estirar la lámina.

Cizalla

La cizalla es un proceso de fabricación de metal que se utiliza para cortar líneas rectas en un material de metal plano. Durante el proceso de cizalla, una cuchilla superior y una cuchilla inferior se fuerzan una a la otra con el espacio entre ellas determinado por un desplazamiento requerido. Normalmente, una de las cuchillas permanece estacionaria.

Doblado

El doblado es un proceso de formación de metal en el que se aplica una fuerza a una pieza de chapa, lo que hace que se doble hacia un ángulo y se genere la forma deseada. Una operación de doblado causa deformación a lo largo de un eje, pero se puede realizar una secuencia de varias operaciones diferentes para crear una parte compleja. Las piezas dobladas pueden ser bastante pequeñas, como un soporte, o hasta 20 pies de largo, como un chasis grande.

Extrusión

El proceso de extrusión se utiliza para fabricar piezas metálicas largas y rectas. La forma de las secciones transversales puede ser sólida, redonda, rectangular, en forma de T, forma de L y tubos, etc. La extrusión se realiza apretando el metal en un troquel utilizando una prensa mecánica o hidráulica.

La extrusión es capaz de producir fuerzas de compresión y corte en el material de stock. Dado que no se produce tracción, esto hace posible una deformidad muy alta sin romper realmente el metal. Un material resistente al desgaste recubre la cavidad en la que está contenida la materia prima. Esto ayuda a resistir las altas cargas radiales a medida que el material es empujado dentro del troquel.

Embutido

El proceso de embutido es un proceso de formación que se produce bajo una combinación de condiciones de tracción y compresión. Una pieza en bruto de chapa plana se forma en un cuerpo hueco abierto en un lado o se forma un cuerpo hueco en otro cuerpo hueco con una sección transversal más pequeña.

Troquelado

Se define como troquelado o estampado al conjunto de operaciones con las cuales, sin producir viruta, sometemos una lámina plana a ciertas transformaciones a fin de obtener una pieza de forma geométrica propia.

Para definir un ciclo de troquelado, es necesario: 

1. Definir la forma de la pieza, que impone cierto número de operaciones, de acuerdo con su complejidad 

2. Determinar las dimensiones 

3. Conocer el material del que se hará la pieza, su plasticidad y elasticidad 

4. La posibilidad de extraer fácilmente la pieza de la matriz.

Desprendimiento de viruta por maquinado, convencional y CNC

Maquinado convencional 

Proceso mediante el cual se remueve metal para dar forma o acabado a una pieza. Se utilizan métodos tradicionales como el torneado, el taladrado, el corte, y el amolado, o métodos menos tradicionales que usan como agentes la electricidad o el ultrasonido.

a) Taladro

La máquina perforadora o taladros de prensa son esenciales en cualquier taller metalmecánico. Un taladro consta de un eje (que hace girar la broca y puede avanzar hacia la pieza de trabajo, ya sea automática o manualmente) y una mesa de trabajo (que sostiene rígidamente la pieza de trabajo en posición cuando se hace la perforación). Un taladro se utiliza principalmente para hace perforaciones en metales; sin embargo, también pueden llevarse a cabo operaciones como roscado, rimado, contra taladro, abocardado, mandrinado y refrentado.

Operaciones estándar

Taladrado

Puede definirse como la operación de producir una perforación cuando se elimina metal de una masa sólida utilizando una herramienta de corte llamada broca espiral o helicoidal.

Avellanado

Es la operación de producir un ensanchamiento en forma de uso o cono en el extremo de una operación.

Rimado

Es la operación de dimensionar y producir una perforación redonda y lisa a partir de una perforación taladrada previamente, utilizando una herramienta de corte con varios bordes de corte.

Mandrinado o torneado interior

Es la operación de emparejar y ensanchar una perforación por medio de una herramienta de corte de un solo filo, generalmente sostenida por una barra de mandrinado.

El careado para tuercas o refrentado. 

Es la operación de alisar y escuadrar la superficie alrededor de una peroración para proporcionar asentamiento para un tornillo de cabeza o una tuerca.

Roscado

Es la operación de cortar roscas internas en una perforación, con una herramienta de corte llamada machuelo. Se utilizan machuelos especiales de maquina o pistola, junto con aditamentos de roscado, cuando esta operación se realiza mecánicamente con una máquina.

b) Torneado

Proceso de maquinado que se utiliza para crear piezas cilíndricas. El torneado se suele realizar en un torno.

Torno

Es la máquina herramienta más antigua y por lo tanto la más importante, sin el torno no habría sido posible el gran avance industrial.

En las máquinas de tornear, se forman o trabajan piezas, mediante arranque de viruta. El modo de trabajar en cada paso de torneado se rige por la forma, tamaño y número de piezas que han de elaborarse, así como por la calidad superficial exigida en las mismas.

Clasificación de los tornos.

a) Torno paralelo.

b) Torno vertical

c) Torno al aire

d) Torno semiautomático

e) Torno automático

f) Torno copiador

Torno paralelo

Es el más utilizado debido principalmente a las diversas operaciones que pueden ejecutarse en él mismo, tales como:

1. Cilindrado o desbastado

2. Refrentado o careado

3. Cilindro cónico

4. Roscado

5. Taladrado.

Dentro de los tornos paralelos, se encuentran los tornos de banco (están montados sobre un banco) y los tornos de piso.

Capacidad del torno

Queda determinada por el volteo y distancia entre puntos.

1. Volteo. - es el diámetro máximo que puede tornearse.

2. La distancia entre puntos. - es la distancia entre el punto colocado en el orificio del cabezal fijo y punto colocado en el orificio del cabezal móvil.

c) Fresado

El fresado consiste en maquinar circularmente todas las superficies de formas variadas; planas, convexas, cóncavas, etc. Este trabajo se efectúa con la ayuda de herramientas especiales llamadas fresas.

Las fresas pueden considerarse como herramientas de cortes múltiples que tienen sus ángulos particulares. Las máquinas para fresar reciben el nombre de fresadoras, en las cuales también pueden efectuarse trabajos de división, tallado de engranes, cuñeros y en general todo tipo de fresado.

Clasificación de las fresadoras

La orientación del árbol principal, respecto a la superficie de la mesa, determinan el tipo de fresadora. Las principales fresadoras son:

• Fresadora horizontal. - recibe este nombre debido a que el eje del árbol principal es paralelo a la superficie de la mesa.

• Fresadora vertical. - en la cual el eje del árbol principal está en posición perpendicular a la superficie de la mesa.
• Fresadoras universales. - reciben dicho nombre debido a que el árbol porta fresa, pueden inclinarse a cualquier ángulo con respecto a la superficie de la mesa, además puede adaptarse de horizontal a vertical y viceversa, por otra parte el carro transversal, está montado sobre una base graduada en grados geométricos, lo que permite orientar y fijar al ángulo requerido.

d) Cepillo

Es una máquina herramienta que se usa para maquinar una superficie plana que puede encontrarse en posición horizontal, vertical o en ángulo. Además, se emplea para maquinar superficies irregulares y especiales que serían difíciles producir en otras máquinas.

Cepillo de codo

Se comienza con las características indispensables que deben cumplir las cepilladoras y luego, se hace una descripción de las diferentes formas de operación Muchos de los cepillos de codo más grandes son de funcionamiento hidráulico. El ariete de este tipo de cepilladura se mueve por la presión de aceite proporciona por una bomba impulsada por un motor eléctrico. Para cambiar la dirección de la presión del aceite se utiliza una válvula inversora, lo cual hace cambiar la dirección en que se mueve el ariete. El avance de la mesa funciona también mediante la presión de aceite. Los cambios en la velocidad y el avance se hacen por medio de válvulas de control. Muchas acepilladoras hidráulicas tienen una mesa universal con dos superficies de trabajo, una sólida para cepillado plano y una angular y otra inclinable para trabajos en ángulos compuestos. El cepillo de codo es una máquina para dar acabado a piezas ya empezadas en el torno. Existen unas piezas llamadas piezas caprichosas que son las piezas que sólo se pueden hacer en máquinas como la fresadora o el cepillo de codo.

Cepillo de mesa

Este se emplea para maquinar superficies planas que sean demasiado grandes para el cepillo de codo. Se diferencia de este último en que la mesa que sujeta la pieza de trabajo se mueve hacia adelante y hacia atrás bajo una herramienta estacionaria de corte.

También se caracteriza por su gran capacidad de trabajo aunque cuenta con una mesa de longitud en donde se pueden montar piezas un poco largas y maquinarlas en toda su longitud por medio de dos o cuatro herramientas al mismo tiempo, esto sucede porque algunas cepilladoras tan solo cuentan con dos portaherramientas en cada bastidor que tenga la máquina.

Maquinado automatizado

Conjunto de procesos químicos, térmicos y eléctricos para el maquinado de piezas de metal.

El término automatización también se ha utilizado para describir sistemas no destinados a la fabricación en los que dispositivos programados o automáticos pueden funcionar de forma independiente o semindependiente del control humano.

Principio de funcionamiento CNC

Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el movimiento de la herramienta de corte.

El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador.

En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos longitudinales del carro y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la torre.

En el caso de las fresadoras se controlan también los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Y. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la fresadora; dependiendo de la capacidad de la máquina, esto puede no ser limitado únicamente a tres ejes.

Aplicaciones

Aparte de aplicarse en las maquinas-herramientas para modelar metales, el CNC se usa en la fabricación de muchos otros productos de ebanistería, carpintería, etc. La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han hecho aumentar enormemente la producción, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado que era difícil de hacer con máquinas convencionales, por ejemplo, la realización de superficies esféricas manteniendo un elevado grado de precisión dimensional. 

Finalmente, el uso de CNC incide favorablemente en los costos de producción al propiciar la baja de costes de fabricación de muchas máquinas, manteniendo o mejorando su calidad.