Bloque 1: FUNDAMENTOS DEL DISEÑO MECÁNICO

Transcripción

1 Bloque 1: FUNDAMENTOS DEL DISEÑO MECÁNICO 1. Fundamentos de Diseño Mecánico 2. Materiales en el Diseño de Máquinas 3. Coeficiente de Seguridad en el Diseño de Máquinas 4. Procesos de Fabricación 1

2 Fases en el proyecto Planteamiento del problema Dimensiones principales Varias soluciones Dibujo del conjunto Elección del material Selección de la fabricación Control del dibujo Planos de taller Plano de conjunto y lista de piezas 2

3 Elección del material Selección del material Solicitaciones Teoría de Fallo Esfuerzos y deformaciones razonables DIMENSIONES Demanda Solicitaciones Decisión Oferta Materiales ESTÁ DEFINIDA DISEÑO INFORMACIÓN MÚLTIPLE 3

4 Elección del material Considerar las exigencias de: La función, el esfuerzo, la vida... La configuración, fabricación Atención a Costos fabricación Adquisición En general, apoyarse en experiencia. Utilizar materiales usuales en calidades usuales 4

5 Propiedades de los metales Tensión de rotura: tensión a la cual el cuerpo que está sometido a ella, se rompe. Alargamiento de rotura: alargamiento unitario que tiene el cuerpo, en el momento de romperse (%) Límite de elasticidad: tensión máxima por debajo de la cual el cuerpo es elástico Ley de Hooke σ E ε S λ Pn l Tensión Tensión de fluencia, y Límite de proporcionalidad Deformación, Tensión de rotura, R 5

6 coeficiente de alargamiento 1 ε S λ E σ Pn l módulo de elasticidad transversal τ Pt G γ S γ coeficiente de deslizamiento 1 γ S γ β G τ P t G E 2 (1 μ) coef. de contracción coef. de Poisson contrac. unitaria alargamiento unitario m 1 ε μ ε c c m 1 β 2 (1 μ) α 2 α m 6

7 Ductilidad: grado de deformación que sufre el material antes de que se produzca la rotura (opuesto: frágil) Dúctil si porcentaje de elongación > 5% Fácil detección de rotura inminente Lf L0 Porcentaje de alargamiento 100% L0 L o L f En elementos sometidos a carga repetida o brusca, emplear materiales con % elongación > 12% Otra medida de la ductilidad mediante la medida de la sección transversal 7

8 Tensión de fluencia a cortadura σ Tensión de rotura a cortadura σ YR YC σ Y σ Y Dureza: resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro Los métodos de ensayo más utilizados son: Rocwell, distintos procedimiento, los más conocidos son la dureza Rocwell C (HRC), o la Rocwell B (HRB) Brinell (BHN o HB) otros métodos, todos ellos están relacionados entre sí, y además están relacionados con la tensión de rotura del material 8

9 Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado hasta un acabado superficial fino Tensión de impacto Resiliencia: energía necesaria para romper por choque un cm 2 de sección del material resiliencia fragilidad resistencia al choque Propiedades físicas. densidad Coeficiente de dilatación térmica ( ) Conductividad térmica Resistividad eléctrica α cambio longitud ε L ΔT ΔT 0 9

10 Clases: Deslizamiento Abrasivo Factores: Materiales emparejados Carga Desgaste Rodadura Corrosión Sustancia interpuesta Cinemática Otros factores (temperatura, etc.. ) Disminución: materiales., movimiento, presión superficial, coeficiente de rozamiento, temperatura límite, etc... Prever sus consecuencias 10

11 Tratamientos Mecánicos En caliente: Forjado Laminado En frío: Estirado Trefilado Térmicos: Recocido Normalizado Temple revenido Químicos (endurecimiento superficial) Cementación Nitruración Cianuración Sulfinización 11

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15 1528 ºC Hierros Estado líquido y 1145 ºC Aceros 906ºC Estado sólido 721ºC 0,89 1,7 4,25 %C > 5% Hierros %C %Fe < 1,7 forjables (Acero). Si el %C es muy bajo no templan > 1,7 no forjables, soldables ni templables, sólo fundibles (fundiciones) 15

16 Fundiciones utilizadas en industria: 2,4 < %C < 5 fabricación de engranajes de grandes dimensiones, ménsulas, partes de cadenas, bastidores de máquinas, etc. Aceros contienen: Impurezas: P, S (< 0,04%) Elementos de aleación: Cr: aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, con contenidos altos: aceros inoxidables Ni: mayor plasticidad, facilita la forja y T tos Térmicos Mo: (~ Ni) aumenta la resistencia en caliente Va: (~ Mo) aumenta la resistencia al fuego 16

17 Fundiciones 1. Fundición Gris Aleación de Hierro fundido con un contenido en C mayor al 1.7% (generalmente entre el 2 y 4 %) Usado preferiblemente en piezas fundidas, siempre que sus propiedades mecánicas sean suficientes Barato Fácil colabilidad (bajo coeficiente de contracción poca tendencia a formar rechupes) Fácilmente Mecanizable Frágil, por lo tanto poco recomendable para solicitaciones por choque Buenas propiedades de deslizamiento 17

18 1. Fundición Gris Fundiciones Buen comportamiento a Fatiga, bastante cercano al de un acero Difícil de soldar, suele necesitar un precalentamiento Su nombre viene del color oscuro que tiene, debido al contenido de grafito en forma de hojuelas que le da ese tono 2. Fundición Blanca Si todo el carbono de la fundición se encuentra en forma de cementita o perlita, sin presencia de grafito, la estructura es blanca y es lo que se conoce como fundición blanca. Suele ser un producto muy frágil y duro de maquinar, pero también muy resistente al desgaste 18

19 Fundiciones 2. Fundición Blanca A menudo se emplea un enfriador en la producción de fundiciones grises para conseguir un superficie muy dura dentro de un área particular de la fundición, manteniendo la estructuras gris mas deseable dentro de la parte restante 19

20 3. Fundición Maleable Fundiciones Se obtiene por el recocido de un hierro fundido blanco. Se consigue que el carbono aparezca otra vez en forma de grafito, pero en vez de hojuelas se presenta en forma de nódulos Se mejoran la resistencia a la tracción (más de 350 Mpa), con una elongación de hasta el 18% (un 1% para las fundiciones grises) Debido al tiempo tan grande para el recocido (hasta 6 días para fundiciones grandes), es bastante más costoso que una fundición gris 20

21 4. Fundición Nodular Fundiciones En esencia es similar a una fundición maleable, ya que también tiene grafito en estado de nódulos Se consigue con un recocido posterior con la adición de Magnesio En ellas tenemos las ventajas de la fundición maleable (mejora de las propiedades dúctiles) y la fundición Gris (Facilidad de fundición y maquinado) 5. Acero Moldeado Se utiliza en piezas fundidas de alta resistencia, elasticidad y tenacidad Se puede soldar, forjar y templar fácilmente El mayor inconveniente es la dificultad para fundirlo (formación de rechupes, tensiones de colada y Grietas térmicas) 21

22 5. Acero Moldeado Es más caro de una fundición gris Fundiciones Permite abaratar el coste de piezas complejas, respecto de piezas realizadas por otros medios, por ejemplo soldadura 22

23 Aceros EN 10020:2000 Material en el que el hierro es el elemento predominante, el contenido en carbono es, generalmente inferior al 2% y contiene además otros elementos. Para un limitado número de aceros al cromo, el contenido en carbono puede ser superior al 2%, pero este valor es el contenido límite habitual que separa el acero de la fundición. Clases de Aceros: Aceros no aleados Aceros inoxidables Otros Aceros Aleados 23

24 Aceros No Aleados Se considera como acero no aleado aquel en el que el contenido, de cualquiera de sus elementos, es inferior al que se recoge en la siguiente Tabla. 24

25 Aceros Inoxidables Los aceros inoxidables son los aceros que contienen un mínimo de un 10.5% de Cromo y un máximo de un 1.2% de Carbono Aceros Aleados Se considera como Acero aleado aquel que no cumpliendo con la definición de acero inoxidable, el contenido, de al menos uno de sus elementos es superior al visto en la tabla anterior 25

26 Designación AISI de los aceros 26

27 Grupos de Aleaciones según AISI 27

28 Uso de Algunos Aceros 28

29 Aceros para herramientas y Carburos 29

30 Maquinabilidad de los aceros (UNE 36021) Gestol y Leroy (oct. 82) El mecanizado por arranque de viruta emplea a más de 10 6 personas en el mundo En Francia, el 80% del parque de máquinas herramienta está dedicado al mecanizado (4% P.I.B.) En EEUU se dedica a la fabricación el 10% PIB (Shaw) Interesa desarrollar aceros de fácil maquinabilidad UNE para ello se añaden diversos elementos Mejor acabado superficial S Menos desgaste herramienta Se Menor consumo energía Te Mayor cantidad viruta arrancada Pb 30

31 Maquinabilidad Aceros Gran o fácil maquinabilidad, como cualidad prioritaria De maquinabilidad mejorada (A.M.M.) A. no aleados especiales para temple y revenido A. para temple y revenido A. para herramientas e inoxidables A. para cementar A los A.M.M. se les añaden elementos químicos para mejorar su comportamiento frente al arranque de viruta. Este tipo de aceros se recogen en la norma UNE

32 Aceros al carbono C 15 F C 45 F C = 0,15 % Mn = 0,55% Si = 0,27% C = 0,45 % Mn = 0,65% Si = 0,27 % Aceros aleados de resistencia Acero común para piezas poco solicitadas. Soldable, fácil deformación en frío y admite carburación superficial Apto piezas resistencia media. Admite temple y revenido. Temple local por alta frecuencia 35 Cr Mo 4 F Ni Cr Mo 16 F C=0,35%;Mn= 0,75 Si = 0,27%; Cr=1% Mo =0,20% C=0,35%;Mn= 0,45 Si = 0,27%; Ni=4% Cr=0,25%; Mo =0,3 Temple y revenido piezas de media responsabilidad. Precio moderado. Para masas medianas o pequeñas Solo piezas alta responsabilidad, fuerte solicitación mecánica, resistencia a fatiga y masa grande. Alto precio. 32

33 Aceros para cementar C 10 F Cr Mo 4 F Ni Cr Mo 12 F C=0,10% Mn= 0,35% Si = 0,25% C=0,12 a 0,15% Mn= 0,30 a 0,60 Si = 0,10 a 0,35% Cr= 1 a 1,30% Mo =0,15 a 0,25 C=0,14% Ni=3 % Cr=1 % Mo =0,25% Piezas poco importantes, resistente al desgaste por cianuración o cementación en capas menores de 0,5 mm. Núcleo poco resistente. Barato por ser acero al carbono Amplio uso para cementar; piezas de media responsabilidad, no muy masivas. Buen compromiso entre resistencia al desgaste y resistencia mecánica del núcleo Piezas de la más alta responsabilidad y resistencia elevada en el núcleo. Optimas características frente a fatiga. Precio Elevado. Solo cuando sea imprescindible. 33

34 Aceros para TEMPLE por INDUCCIÓN C 45 F Mn 5 SAE Cr Mo 4 F C = 0,45 % Mn = 0,65% Si = 0,27 % C=0,48% Mn= 1,1 a 1,4% Si = 0,25% C=0, 40%, Mn=0,75% Si=0,27% Cr=1 % Mo =0,20% Por su precio es apto para la resistencia local al desgaste, en piezas con núcleo no muy resistente. Baja templabilidad, no usar para temple profundo Piezas que exijan capas profundas en media y baja frecuencia, sin necesidad resistencia en el núcleo. Admite temple y revenido previos a la inducción en piezas poco masivas Acero parecido al 35 Cr Mo 4, mayor dureza superficial por el %C. Ideal para temple y revenido de núcleo y temple por inducción superficial. Susceptible al agrietamiento, evitar entallas 34

35 Aceros de alta MAQUINABILIDAD 13 Mn S 6 F 210 A 35 Mn S 8 F 210 G C = 0,13 % Mn = 1,20% S = 0,20 % C=0,35 % Mn= 1,5% S = 0,15% Decolletaje, o en piezas de mucha mecanización. Piezas de baja solicitación en general. Admite cianuración y cementación a poca capa, solo para resist. desgaste Piezas de media resistencia y difícil mecanización. Admite temple y revenido en piezas no muy másicas Aceros de alta ELASTICIDAD C 70 ~F Si Mn 7 ~F C = 0,7 % Mn = 0,45% S = 0,07% Muebles de poco espesor, ya sean flejes o hilos, admite endurecimiento por laminación o por temple y revenido Resortes masivos. Debe templarse y revenirse. Muy sensible a la descarburación. Uso común en ballestas barras de torsión, 35 pinzas

36 Metales No Férricos 1. Aluminio y Aleaciones del Aluminio (DIN 1725) 2. Magnesio y Aleaciones de Mg (DIN 1720) 3. Cobre y aleaciones de Cobre 3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705) 3.2. Bronce al Aluminio (DIN 1714) 3.3. Bronce al Plomo (DIN 1716) 36

37 Metales No Férricos 1. ALUMINIO Y ALEACIONES DEL ALUMINIO (DIN 1725) Bajo peso específico ( = 2,7 2,85) Relativamente elevada Resistencia Interesante elementos en movimiento rápido (émbolos, bielas, etc ) Alta conductividad eléctrica y térmica En elementos constructivos preferente aleaciones forjadas y fundidas Aleaciones de Al por fusión con Mg (5 7 %) poseen buena resistencia al calor culatas de cilindros 37

38 Metales No Férricos 2. MAGNESIO Y ALEACIONES DE MG (DIN 1720) Bajo peso específico ( = 1,85) Fácil arranque de viruta Pequeñas bombas engranajes Fundición gris (1) Aleación Mg doble coste en bruto que fundición gris menor coste final por ahorro en mecanizado Bajo Módulo Elástico (E=4.400 kg/mm 2 ) insensible a golpes y choques en cajas de transmisión actúa como amortiguador de ruido 38

39 Metales No Férricos 3. COBRE Y ALEACIONES DE COBRE Bronces (~ 80 % Cu, ~10 % Sn,...) 3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705) Giefen fundición // Sn Estaño // Bronze Bronce G SnBz 10 DIN 1705 ó DIN 1705 Materiales bronces al Sn: G Sn Bz 14 // G Sn Bz 12.. bronces al Sn y varios mat. fundidos G Z Rg Características: tenacidad, resistencia al desgaste, al agua de mar... Adecuado: casquillos, cojinetes, discos de fricción 39

40 Metales No Férricos 3.2. BRONCE AL ALUMINIO (DIN 1714) Designación G Fe Al Bz F50 DIN 1714 ó DIN 1714 Materiales Bronce al Al de fundición Bronce al Al y materiales diversos de fundición Br al Al y Fe fundido Br al Al y Ni de fundición (tornillos sin fin; ruedas de hélices; hélices de buques; cojinetes; etc.) Br al Al y Mn de fundición 40

41 Metales No Férricos 3.3. BRONCE AL PLOMO (DIN 1716) Designación G Sn Pb Bz 10 DIN 1716 ó DIN 1716 Materiales Bronce al Pb de fundición Bronce al Pb y Sn de fundición Ejemplo: G Sn Pb Bz 10; B = 23 kp / mm 2 buenas propiedades deslizamiento y desgaste resistencia a la corrosión Adecuado para cojinetes de fricción con altas presiones de superficie 41

42 MATERIALES TERMOPLÁSTICOS Ejemplos de uso: cojinetes, casquillos, engranajes, poleas, guías de deslizamiento, carcasas en neumática, apoyos, otras piezas cualquier elemento que requiera bajo coeficiente de fricción y gran resistencia al desgaste 42

43 1. Lubricación Materiales Termoplásticos Muy poco o en seco Es importante NO lubricar en industria textil, papelera de alimentación 2. Resistencia al desgaste Propiedades mejores que aceros y bronces si trabaja sin lubricar Trabaja en condiciones abrasivas 3. Corrosión y resistencia química Resisten amplia gama productos químicos, que actúan en algunos casos de lubricantes 43

44 4. Resiliencia Reducen transmisión de vibraciones, y amortiguan los ruidos (gran elasticidad) Buena resistencia al impacto, evitando deformaciones permanentes 5. Bajo peso A igual volumen 7 veces menos que el bronce Mejora almacenamiento y manejo 6. Maquinabilidad Más fáciles y limpios de mecanizar que los metales Modificar el ángulo de corte de las herramientas 7. Coste final Bajo coste inicial, alta eficiencia, bajo manteniemiento 44

45 Recurrir a: Fundición gris (estatores, placas, carcasas... ) Hierro fundido especial, para grandes esfuerzos Chapas de acero para soldar (carcasas, reductores) Acero templado para elementos sometidos a elevada presión con rodamiento (rodamientos, levas,..) Material aglomerado, fundición gris blanca, bronce, aleaciones de Zn, Ak, etc.. para superficies sometidas a fricción Aleaciones (piezas pequeñas, grans serie, tornos aut.) Materiales especiales (desgaste intenso, acciones químicas, eléctricas, etc..) Otros materiales: plásticos, gomas, según elemento 45

46 Si la elección no está clara, analizar: 1. Exigencias impuestas al elemento constructivo 2. Condiciones de fabricación 3. Propiedades del material (ensayos) 46