Unidad I Procesos diversos de manufactura

Introducción  Para ser rentable, la empresa establece y consolida un

sistema de fabricación que facilita el flujo de información para coordinar los insumos, procesos y resultados. El desarrollo de la industria moderna, por ejemplo, depende de la investigación en materiales que pueden requerir una variedad de nuevos procesos de producción.

Sistema de fabricación

La Gerencia ofrece la planificación, organización, dirección, control y dirección de la empresa comercial para que sea productiva y rentable. Los coordinadores tienen la responsabilidad de los propietarios, empleados, clientes, público en general, y de la propia empresa. El diseño consiste en crear planes de fabricación para los productos , para que sean atractivos, tengan buen desempeño, y den servicio a bajo costo. Los productos manufacturados se diseñan antes de fabricarse. El tercer elemento es la producción. Los procesos necesarios para la fabricación de un producto debe ser diseñado y desarrollado con gran detalle. Los planes generales para los procesos son reconocidos durante la etapa de diseño, y ahora se utilizan las técnicas de ingeniería de fabricación . La mejor combinación de máquinas, procesos y personas son seleccionadas para satisfacer los objetivos de la empresa, accionistas, empleados y clientes.

Clasificación de los procesos de fabricación Producción en masa: Una producto, se dice que es producida en masa si se producen de forma continua o intermitente a un volumen alto (más de 100,000 piezas al año) durante un período considerable de tiempo. En la producción en masa, el volumen de ventas de la industria está bien establecida y las tasas de producción son independientes de las órdenes individuales. Las Máquinas que se utilizan son generalmente incapaces de llevar a cabo otras operaciones. Los costos unitarios deben mantenerse a un mínimo absoluto. Los ejemplos más comunes de los artículos producidos en masa son las tapas de botellas, lápices, los automóviles, las tuercas, pernos, arandelas y alambre.

Clasificación de los procesos de fabricación Producción moderada: Las piezas hechas en las operaciones de producción moderada se producen en cantidades relativamente grandes, pero la salida puede ser más variables que las piezas producidas en serie y más dependiente de la demanda. Las máquinas serán probablemente de uso múltiples. El número de piezas puede variar de 2500 a 100,000 por año, dependiendo de la complejidad. Ejemplos de este tipo de industria son impresión de libros, brújulas aviones y los transmisores de radio.

Clasificación de los procesos de fabricación Producción por lote: Las industrias de producción por lote son más flexibles y su producción se limita generalmente a un montón de acuerdo a los pedidos de venta o ventas previstas. Los equipo de producción son de uso múltiple, y los empleados pueden ser más altamente calificados. Tamaños de los lotes, habitualmente varía de 10 a 500 partes por lote, y se mueven a través de los diversos procesos de la materia prima hasta el producto terminado. La empresa suele tener tres o más productos y los podrá producir en cualquier orden y cantidad dependiendo de la demanda. En algunos casos, la planta no puede tener su propio producto y, si es así, entonces utiliza un subcontratista o proveedor. Ejemplo de estos productos pueden ser: aviones, piezas de repuesto de automóviles antiguos, válvulas de campos petroleros, componentes eléctricos especiales , y las manos artificiales.

Procesos de manufactura sin arranque de viruta FUNDICIÓN Los Procesos de fundición consiste en la fabricación de moldes, preparación y fundición del metal, verter el metal líquido en los moldes, Limpiar la fundición (pieza), y la recuperación de la arena para su reutilización. El Maquinado de un bloque de metal a una forma compleja puede ser muy costoso, "¿Por qué maquinar cuando se puede fundir?“. Los altos índices de producción, buenos acabado superficiales, pequeñas tolerancias dimensionales, y las características mejoradas de material , permite la fundición de piezas complejas pequeñas y grandes de casi todos los metales y sus aleaciones. Los moldes pueden ser de metal, yeso, cerámica, y otras sustancias refractaria .

Existen dos diferentes métodos de fundición de piezas en arena que se pueden producir y se clasifican según el tipo de modelo (patrón) utilizado: Patrón extraíble y Patrón desechable: En los métodos que emplean un Patrón Removible, la arena es empacada alrededor del patrón y después el patrón es removido y la cavidad se llena con el metal fundido. Los de Patrón Desechable están hechos de poliestireno y, en lugar de ser retirados de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. Factores importantes en la fundición son el procedimiento de moldeo, los patrones, la arena, tubos, equipo mecánico, metal, la limpieza del vertido y de calidad.

El molde debe poseer las siguientes características: Debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del metal. Debe resistir la acción de la erosión del metal que fluye con rapidez durante la colada. Debe generar una cantidad mínima de gas cuando se llena con el metal fundido. Los gases contaminan el metal y pueden alterar el molde. Debe construirse de modo que cualquier gas que se forme pueda pasar a través del cuerpo del molde mismo, más bien que penetrar el metal. Debe ser suficientemente refractario para soportar la alta temperatura del metal y poderse desprender con limpieza del colado después del enfriamiento. Los moldes se clasifican de acuerdo a los materiales:

Los moldes de arena en verde: Este es el método más común, que consiste en formar el molde de arena de moldeo húmeda. El término de arena verde no se refiere al color de la arena, que es un color marrón oscuro o negro, sino más bien a que la arena no es curada. Solo se utilizando arcilla y el agua para unirlos. La figura ilustra el procedimiento para la fabricación de moldes de arena verde.

Fn = A( p x h) - (Wc + Wsc) Donde: Fn = Fuerza neta o peso que debe ser agregado, lb (kg) A = Área de la superficie del metal en la parting line, ft2 (m2) p = Densidad del metal , Ib/ft3 (kg/m3) h = Altura del cope, ft (m) Wc = Peso del cope , lb (kg) Wsc = Peso de la arena en el cope, lb (kg)

Si Wc + Wsc > A( p x h), No es necesario peso adicional.

Los moldes de arena en verde (patrón desechable) :

Moldes con arena seca. Estos moldes son hechos enteramente de arena común de moldeo mezclada con un material aditivo de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura. Los moldes deben ser Horneados totalmente antes de usarse, por ello las cajas deben ser metálicas. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas debidas a la humedad.

Moldes de CO2. En este proceso la arena limpia se mezcla con silicato de sodio y es apisonada (o compactada) alrededor del patrón. Cuando el gas de CO2 es alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. se pueden obtener piezas lisas y de forma intrincada por este método. Moldes de metal. Los moldes de metal se usan principalmente en fundición a presión de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado.

Moldes especiales. Plástico, cemento, papel, yeso, madera y hule todos estos son materiales usados en moldes para aplicaciones particulares.

Peso de la fundición

La densidad del poliestireno es cerca de 21 lb/ft3 (336 kg/m3)

Sistema de vaciado (gate) y Solidificación El sistema de vaciado es la ruta utilizada para introducir el metal fundido ala cavidad del molde e implica una serie de factores. 1. El Metal debe entrar en la cavidad con la menor turbulencia posible en o cerca del parte inferior de la cavidad del molde. 2. La erosión de las superficies de paso o de la cavidad debe evitarse mediante el control del flujo de metal o por el uso de núcleos de arena seca. 3. El Metal debe entrar en la cavidad de tal manera que exista una solidificación direccional , si es posible. La solidificación debe darse desde la superficie del molde hacia el metal más caliente, de esta manera siempre abra metal fundido disponible para compensar las contracciones. 4. Se debe impedir la entrada escorias y partículas extrañas en la cavidad del molde.

Patrones

Tecnologías de arenas La arena de sílice (SiO2), que se encuentra en muchos depósitos naturales, es ideal para el moldeado, ya que puede soportar altas temperaturas sin demasiados daños. La arena es de bajo costo, tiene una larga vida, y está disponible en una amplia gama de tamaños y formas de grano. Las desventajas son que la arena tiene una tasa de expansión alta cuando se somete a calor y tiene una tendencia a fusionarse con el metal. Si la arena contiene un alto porcentaje de polvos finos, puede constituir un peligro para la salud. La temperatura de colado del hierro es desde 2400 a 2800 F, mientras que para el acero es 2750 a 3000 F. para estas temperaturas es necesaria arena más gruesa y refractaria es. Arena pura de sílice no es apta para moldeado, ya que carece de cualidades aglutinantes . Las cualidades de unión se puede obtener mediante la adición de 8% a 15% de arcilla. Los tres tipos de arcillas comunes utilizados son la caolinita, illita, y bentonita. Esta última, que se utiliza más a menudo, es obtenida a partir de cenizas volcánicas. Algunas arenas de moldeo naturales se mezclan con la arcilla cuando son extraídas, y solo se agrega agua para obtener una mezcla adecuada de moldeo para la fundición de metales no ferrosos.

La gran cantidad de material orgánico que se encuentra en las arenas naturales les impide ser lo suficientemente resistente para aplicaciones de alta temperatura, tales como en el moldeo de metales y aleaciones de alto punto de fusión . Arenas de moldeo sintéticas se componen de sílice lavada, grano pequeño (arena afilada) a la cual se le añade del 3% al 5% de arcilla. Se genera menos gases con arenas sintéticas ya que es necesario agregar menos del 5% de humedad para desarrollar en ella una resistencia adecuada. El tamaño de los granos de arena depende del trabajo de moldeado. Para fundiciones de piezas pequeñas e intrincadas , arena fina es deseable, lo cual permitirá rellenar todos los detalles de la pieza. A medida que aumenta el tamaño de la pieza de fundición, las partículas de arena debe ser más grandes para permitir el escape de gases. granos de forma aguda e irregular son por lo general preferibles porque bloquean y añadir fuerza al molde. Son necesarios ensayos periódicos a la arena de moldeo. Las Propiedades de la arena cambian por la contaminación de materiales extraños, la acción del lavado, el cambio de la distribución de tamaño de grano, y por las altas temperaturas de metal..

1. Permeabilidad: La porosidad necesaria de la arena que permite el escape de gas y de vapor formado en el molde. 1. Fuerza. Arena debe ser lo suficientemente fuerte . Tanto la cantidad de agua como de arcilla afectan este parámetro. 3. Refractariedad. Arena debe resistir altas temperaturas sin fundirse. 4. Tamaño y forma de grano. Arena debe tener un tamaño de grano adecuado para la superficie de moldeo.

Núcleos

Equipos de moldeo Estas máquinas ofrecen velocidades mas altas de producción y mejor calidad de los colados además de mano de obra ligera y costos más bajos.

Máquinas de moldeo por sacudida y compresión: consta básicamente de una mesa accionada por dos pistones en cilindros de aire, uno dentro del otro. El molde en la mesa se sacude por la acción del pistón inferior que eleva la mesa en forma repetida y la deja caer bruscamente en un colchón de rebote. Las sacudidas empacan la arena en las partes inferiores de la caja de moldeo pero no en la parte superior. El cilindro más grande empuja hacia arriba la mesa para comprimir la arena en el molde contra el cabezal de compresión en la parte superior. La opresión comprime las capas superiores de la arena en el molde pero algunas veces no penetra en forma efectiva todas las áreas del modelo. El recorrido de la platina en las máquinas modernas oscila de 30 a 100 mm y el número de golpes por minuto de 10 a 300. Estas máquinas son las más rápidas y permiten el apisonado simultáneo de varias cajas en muy poco tiempo.

Equipos de moldeo Máquina lanzadora de arena: esta máquina logra un empaque consistente y un efecto de apisonado lanzando arena con alta velocidad al modelo. La arena de una tolva se alimenta mediante una banda a un impulsor de alta velocidad en el cabezal. Una disposición común es suspender la lanzadora con contrapesos y moverla para dirigir la corriente de arena dentro de un molde. La dureza del molde se puede controlar mediante el operador cambiando la velocidad del impulsor y moviendo la cabeza impulsora. Su principal utilidad es para apisonar grandes moldes y su única función es empacar la arena en los moldes. Generalmente trabaja con el equipo de retiro del modelo.

Procesos de Fundición y colado La fundición y colado es sencillo y de poco costo relativo en comparación con otros procesos. Para colar o moldear el material en forma liquida, se introduce en una cavidad preformada llamada molde. El molde tiene la configuración exacta de la parte que se va a moldear o colar. Después de que el material llena el molde y se endurece o se fragua, adopta la forma del molde. Después, se rompe o se abre el molde y se saca el producto. Los procesos de colada se usan para moldear materiales como metales, plásticos y cerámicas. Los procesos de fundición y colada se pueden clasificar por el tipo de molde utilizado ( permanente o no permanente ) o por la forma en la cual entra el material al molde (colada por gravedad y fundición a presión ). El termino “fundición” se usa siempre para los metales, pero no tienen diferencia considerable en relación con el moldeo (el término de uso general para los plásticos). Por ejemplo, el moldeo por inyección es el termino para un preciso de moldeo a presión de partes termoplásticos. La maquina utilizada es una maquina de moldeo por inyección, la cual inyecta el plástico fundido dentro de un molde metálico. El mismo proceso básico, pero a temperaturas mas altas, produce las fundiciones a presión en una maquina para fundición a presión, la cual inyecta zinc o aluminio fundidos, por ejemplo, dentro de una matriz de acero.

Las partes producidas por los procesos de fundición o colada varían en el tamaño, precisión, rugosidad de superficie, complejidad de configuración, acabado requerido, volumen de producción y costo y calidad de la producción. El tamaño de las partes puede variar desde unos cuantos gramos para las producidas por fundición a presión hasta varias toneladas para las producidas por fundición en arena. Las tolerancias dimensionales pueden variar desde 0.127 hasta 6.35mm (0.005 a 0.250 pulg).

Fundición por Inyección: La fundición en esta forma y tratándose de gran cantidad de piezas, exige naturalmente un numero considerable de moldes. Es evidente que el costo de cada pieza aumenta con el precio del molde. En las técnicas modernas para la fundición de pequeñas piezas, se aplican maquinas con moldes de metal, que duran mucho tiempo, pudiendo fundirse en ellos millares de piezas, el metal se inyecta en el molde a presión, por cuya razón este sistema se denomina por inyección. El peso de las piezas que se pueden fundir por inyección en moldes mecánicos, varía entre 0.5 gramos hasta 8 kilos. Por lo general se funden por inyección piezas de Zinc, Estaño, Aluminio, y Plomo con sus respectivas aleaciones. La parte más delicada de la maquina para fundir por inyección es el molde. Este molde tiene que ser hecho con mucho cuidado y exactitud, tomando en cuenta los coeficientes de contracción y las tolerancias para la construcción de las piezas, de acuerdo con el metal y la temperatura con la que se inyecta. La cantidad de piezas que pueden fundir en un molde y con una sola maquina es muy grande, además, en una hora pueden fabricarse de 200 a 2000 piezas según su tamaño y forma, por lo tanto, repartiendo el costo del molde, de la maquina, así como también los gastos de mano de obra para la manutención del equipo y teniendo en cuenta la gran producción, a de verse que las piezas fundidas en serie por inyección resultan de bajo costos. La fundición a presión se considera un proceso de alto volumen de producción; la fundición en arena es un proceso de uno por uno, un tanto lento. La fundición y colada un proceso de bajo costo relativo. Sin embargo los moldes para moldeado por compresión y moldeado por inyección así como las matrices para la fundición a presión, son muy costosos.

Dentro de los materiales metálicos que se pueden inyectar tenemos:

17-4 PH (as sintered) Stainless Steel 17-4 PH (H900 condition) Stainless Steel AISI 316L Stainless Steel AISI 304L Stainless Steel High Purity Cu Tungsten Heavy Metal (W-Ni-Fe) Alloy F15 (Kovar) CuMo (Cu15Mo) Ti6Al4V Ti6Al7Nb Aleaciones de Aluminio (serie 6xxx y 7xxx)

Para la obtención de piezas por moldeo por inyección de polvos metálicos se tienen que seguir las etapas que se muestran en la Figura : •Selección del polvo y ligante polimérico •Mezcla homogénea del polvo con el ligante •Granulado de la mezcla •Conformado por inyección en un molde, donde se obtiene una pieza denominada “pieza en verde", que puede manipularse con facilidad y que tiene unas dimensiones superiores a las de la pieza acabada •Eliminación del ligante (debinding), donde se obtiene lo que se denomina “pieza en marrón" •Sinterización •Posteriormente las piezas obtenidas pueden ser sometidas a operaciones secundarias de acabado.

Composición de la materia prima: Proceso de MIM: Eliminación del ligante y sinterización: Polvos metálicos finos (diámetro