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

Fases en el proyecto Planteamiento del problema

Elección del material

Dimensiones principales

Selección de la fabricación

Varias soluciones

Control del dibujo

Dibujo del conjunto

Planos de taller

Plano de conjunto y lista de piezas

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Elección del material Selección del material

Solicitaciones Teoría de Fallo

Esfuerzos y deformaciones razonables Demanda Solicitaciones ESTÁ DEFINIDA

Decisión

DISEÑO

DIMENSIONES

Oferta Materiales INFORMACIÓN MÚLTIPLE 3

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

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 Tensión de fluencia,  y

Tensión 

Ley de Hooke

σ Pn l E  ε Sλ

Límite de proporcionalidad

Tensión de rotura, R





5 Deformación, 

1 ε Sλ coeficiente de alargamiento     E σ Pn l G

módulo de elasticidad transversal coeficiente de deslizamiento

E G 2·(1  μ)

1 γ S γ β   G τ Pt

coef. de contracción  

coef. de Poisson

τ Pt  γ Sγ

c contrac. unitaria  alargamiento unitario 

1 ε m  μ εc

m 1 β  2 (1  μ)  α  2· α m 6

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 Porcentaje de alargamiento 

Lo

Lf  L0  100% L0

Lf

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

σY Tensión de fluencia a cortadura σYC  2 Tensión de rotura a cortadura σYR  0.75·σY 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

Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado hasta un acabado superficial fino

Tensión de impacto Resiliencia: energía necesaria para romper por choque un cm2 de sección del material  resiliencia 

 fragilidad 

 resistencia al choque

Propiedades físicas. •densidad •Coeficiente de dilatación térmica ()

•Conductividad térmica •Resistividad eléctrica

cambio longitud ε α  L0  ΔT ΔT 9

Desgaste • Clases: Deslizamiento

Rodadura

Abrasivo

Corrosión

• Factores: Materiales emparejados

Sustancia interpuesta

Carga

Cinemática

Otros factores (temperatura, etc.. ) • Disminución:

materiales., movimiento, presión superficial, coeficiente de rozamiento, temperatura límite, etc... Prever sus consecuencias 10

• Térmicos:

Tratamientos • Mecánicos – En caliente:

Forjado Laminado – En frío: Estirado Trefilado

– Recocido

– Normalizado – Temple – revenido

• Químicos

(endurecimiento superficial) – Cementación

– Nitruración – Cianuración – Sulfinización

11

12

13

14

Hierros y Aceros

1528 ºC Estado líquido

1145 ºC 906ºC 721ºC

Estado sólido 0,89

1,7

4,25

%C

1

3

5

%C > 5% Hierros %Fe

99

97

95

< 1,7 forjables (Acero). Si el %C es muy bajo no templan > 1,7 no forjables, soldables ni templables, sólo fundibles (fundiciones)

15

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 Ttos Térmicos

Mo: (~ Ni) aumenta la resistencia en caliente Va: (~ Mo) aumenta la resistencia al fuego 16

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

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Fundiciones 1. Fundición Gris 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

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

Fundiciones

3. Fundición Maleable

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

Fundiciones

4. Fundición Nodular

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 21 rechupes, tensiones de colada y Grietas térmicas)

Fundiciones

5. Acero Moldeado

Es más caro de una fundición gris Permite abaratar el coste de piezas complejas, respecto de piezas realizadas por otros medios, por ejemplo soldadura

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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

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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.

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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

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Designación AISI de los aceros

26

Grupos de Aleaciones según AISI

27

Uso de Algunos Aceros

28

29

Aceros para herramientas y Carburos

Maquinabilidad de los aceros (UNE 36021) Gestol y Leroy (oct. 82) • El mecanizado por arranque de viruta emplea a más de 106 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 36021 para ello se añaden diversos elementos •

Mejor acabado superficial

S

•

Menos desgaste herramienta

Se

•

Menor consumo energía

Te

•

Mayor cantidad viruta arrancada

Pb

30

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 36021 31

Aceros al carbono C 15

F - 110 C 45 F -1140

C = 0,15 % Mn = 0,55% Si = 0,27% C = 0,45 % Mn = 0,65% Si = 0,27 %

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

Aceros aleados de resistencia C=0,35%;Mn= 0,75

35 Cr Mo 4

F - 1250 35 Ni Cr Mo 16

F - 126

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

Aceros para cementar Piezas poco importantes, resistente al C=0,10% desgaste por cianuración o cementación C 10 Mn= 0,35% en capas menores de 0,5 mm. Núcleo F – 1510 poco resistente. Barato por ser acero Si = 0,25% al carbono C=0,12 a 0,15% Amplio uso para cementar; piezas de Mn= 0,30 a 0,60 media responsabilidad, no muy masivas. 14 Cr Mo 4 Si = 0,10 a 0,35% Buen compromiso entre resistencia al F - 155 Cr= 1 a 1,30% desgaste y resistencia mecánica del Mo =0,15 a 0,25 núcleo Piezas de la más alta responsabilidad y C=0,14% resistencia elevada en el núcleo. 14 Ni Cr Mo 12 Ni=3 % Optimas características frente a Cr=1 % F - 1560 fatiga. Precio Elevado. Solo cuando sea Mo =0,25% imprescindible. 33

Aceros para TEMPLE por INDUCCIÓN Por su precio es apto para la resistencia C 45 local al desgaste, en piezas con núcleo Mn = 0,65% no muy resistente. Baja templabilidad, F – 1140 Si = 0,27 % no usar para temple profundo Piezas que exijan capas profundas en C=0,48% media y baja frecuencia, sin necesidad 45 Mn 5 Mn= 1,1 a 1,4% resistencia en el núcleo. Admite temple SAE 1548 Si = 0,25% y revenido previos a la inducción en piezas poco masivas Acero parecido al 35 Cr Mo 4, mayor C=0, 40%, Mn=0,75% dureza superficial por el %C. Ideal para 40 Cr Mo 4 Si=0,27% temple y revenido de núcleo y temple Cr=1 % F - 1252 por inducción superficial. Susceptible al Mo =0,20% agrietamiento, evitar entallas C = 0,45 %

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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 - 141

55 Si Mn 7

~F - 144

C = 0,7 %

Muebles de poco espesor, ya sean flejes o Mn = 0,45% hilos, admite endurecimiento por laminación o por temple y revenido S = 0,07% Resortes masivos. Debe templarse y revenirse. Muy sensible a la descarburación. Uso común en ballestas barras de torsión, 35 pinzas

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)

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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 37 buena resistencia al calor culatas de cilindros

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/mm2) insensible a golpes y choques en cajas de transmisión actúa como amortiguador de ruido 38

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 2. 1050.01 DIN 1705

– Materiales bronces al Sn: G Sn Bz 14 // G Sn Bz 12 .. bronces al Sn y varios mat. fundidos G Z Rg 10 ... – Características: tenacidad, resistencia al desgaste, al agua de mar ....

– Adecuado: casquillos, cojinetes, discos de fricción39

Metales No Férricos 3.2. BRONCE AL ALUMINIO (DIN 1714) – Designación G Fe Al Bz F50 DIN 1714 ó 2.0940. 01 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

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Metales No Férricos 3.3. BRONCE AL PLOMO (DIN 1716)

– Designación G Sn Pb Bz 10 DIN 1716 ó 2.1176. 01 DIN 1716

– Materiales Bronce al Pb de fundición Bronce al Pb y Sn de fundición Ejemplo: G Sn Pb Bz 10;

B = 23 kp / mm2

buenas propiedades deslizamiento y desgaste

resistencia a la corrosión Adecuado para cojinetes de fricción con altas presiones de superficie 41

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

Materiales Termoplásticos 1.

Lubricación –

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

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

• 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

•

Si la elección no está clara, analizar: 1.

Exigencias impuestas al elemento constructivo

2. Condiciones de fabricación 3. Propiedades del material (ensayos)

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