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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Ticomán
Ingeniería aeronáutica
---------------------------------------------------------------------------------------------
―REDISEÑO Y MANUFACTURA DE LOS PERNOS QUE UNEN LAS
MEDIAS MASAS DE LA RUEDA DEL TREN DE ATERRIZAJE
PRINCIPAL DEL AVION ATR 42‖
---------------------------------------------------------------------------------------------
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN AERONÁUTICA
POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN:
SEMINARIO “MANUFACTURA DE ALTA PRECISIÓN”
PRESENTAN:
DEL VALLE MARTINEZ MARCO ANTONIO
LOPEZ ORTIZ FELIX EDGAR
SANCHEZ MIRANDA ARTURO ISRAEL
ASESORES:
M. EN C. ARMANDO OROPEZA OSORNIO
ING. CARLOS HERNÁNDEZ PÉREZ
MÉXICO D.F. 2013
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD TICOMÁN
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: SEMINARIO
DEBERÁN PRESENTAR: LOS Ce. PASANTES: DEL VALLE MARTíNEZ MARCO ANTONIO LÓPEZ ORTIZ FÉLIX EOGAR SÁNCHEZ MIRANDA ARTURO ISRAEL
"REDISEÑO y MANUFACTURA DE LOS PERNOS QUE UNEN LAS
MEDIAS MASAS DE LA RUEDA DEL TREN DE ATERRIZAJE
PRINCIPAL DEL AVIÓN ATR 42"
LISTAS DE TABLAS y FIGURAS
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE
CAPÍTULO 11 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
CAPÍTULO 111 REDISEÑO y MODELADO
CAPÍTULO IV PROCESO DE MANUFACTURA
CAPÍTULO V TRATAMIENTO TÉRMICO
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
ANEXOS
ApÉNDICE A
México, DF., a 20 de septiembre de 2013.
ASESOR
M. EN C . .,. ..'U'......."
CTORN¡;~-";~Z~,:·:'~~··;' · ~:~ ::~ >".~, O!n f. ce t ó r
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS I
RESUMEN III
ABSTRACT IV
INTRODUCCIÓN V
OBJETIVO GENERAL VII
OBJETIVOS ESPECÍFICOS VII
ALCANCES VII
METODOLOGÍA VIII
CAPÍTULO 1 - ESTADO DEL ARTE 1
1.1 PERNOS DE USO AERONÁUTICO 1
CAPÍTULO 2 - CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 4
2.1 METALOGRAFÍA 4
2.1.1 CORTE DE LA MUESTRA 5
2.1.2 DESBASTE 6
2.1.3 PULIDO 6
2.1.4 ATAQUE QUÍMICO 7
2.2 ENSAYOS MECÁNICOS 7
2.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN 8
2.2.2 ESFUERZO DE CEDENCIA 10
2.2.3 RESISTENCIA A LA TENSIÓN 10
2.2.4 PROPIEDADES ELÁSTICAS 11
2.2.5 ENSAYO DE DUREZA 12
2.2.6 DUREZA ROCKWELL 13
2.3 RECOCIDO NORMALIZADO 14
2.4 RESULTADOS 16
2.4.1 ACERO DESIGNACIÓN TX10 24
2.4.2 PROPIEDADES FÍSICAS 25
2.4.3 PROPIEDADES MECÁNICAS 25
CAPÍTULO 3 - REDISEÑO Y MODELADO 26
3.1 ROSCA UNJ 26
3.1.1 FORMA 27
3.1.2 DESIGNACIÓN 28
3.2 AJUSTES Y TOLERANCIAS 28
3.2.1 TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS 29
3.2.2 SISTEMA DE AGUJERO BASE O AGUJERO ÚNICO 30
3.2.3 DETERMINACIÓN DE TOLERANCIAS DE AJUSTE 31
3.2.4 ACOTACIÓN FUNCIONAL 32
3.3 MODELADO 35
3.3.1 DESIGNACIÓN DE LA ROSCA DEL PERNO .3750-24UNJF-3A 36
3.4 SIMULACIÓN 37
CAPÍTULO 4 - PROCESO DE MANUFACTURA 39
4.1 TORNEADO Y OPERACIONES AFINES 39
4.1.1 CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO 40
4.1.2 OPERACIONES RELACIONADAS CON EL TORNEADO 40
4.2 FORJADO 42
4.2.1 FORJADO SIN REBABA 43
4.3 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO 45
CAPÍTULO 5 - TRATAMIENTO TÉRMICO 50
5.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS 50
5.2 TEMPLADO 51
5.2.1 CONSIDERACIONES PARA EL TEMPLADO 51
CONCLUSIONES 53
REFERENCIAS 55
ANEXOS 56
ANEXO I 56
ANEXO II 57
ANEXO III 58
ANEXO IV 59
ANEXO V 60
APENDICE A-PLANOS 61
i
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS
Tabla 1 Dimensiones para probetas pequeñas estándar. 8
Tabla 2 Características del método de ensayo de dureza Rockwell. 14
Tabla 3 Resultados. 24
Tabla 4 Composición química Acero TX10. 24
Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero TX10. 25
Tabla 6 Cuerda .3750-24UNJF-3A. 36
Tabla 7 Proceso de manufactura. 45
Tabla 8 Propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. 52
Fig. 1 Perno que une las medias masas. v
Fig. 2 Esquema de la sujeción de las medias masas. vi
Fig. 3 Esquema de las medias masas de la rueda. vi
Fig. 4 Partes de un perno. 2
Fig. 5 Perno. 3
Fig. 6 Aplicaciones de los pernos. 3
Fig. 7 Etapas de la preparación metalográfica. 5
Fig. 8 Esmerilado burdo o tosco. 5
Fig. 9 Proceso de desbaste. 6
Fig. 10 Proceso de pulido. 7
Fig. 11 Probeta circular normalizada ASTM E8. 8
Fig. 12 Curva esfuerzo-deformación. 9
Fig. 13 Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil produciendo
una región de encuellamiento. 10
Fig. 14 Efecto de la temperatura (a) En la curva esfuerzo deformación y (b) Sobre las
propiedades a tensión de una aleación de Aluminio. 12
Fig. 15 a) Durómetro Rockwell AR20 MITUTOYO b) Proceso de medición. 13
Fig. 16 Normalizado. 15
Fig. 17 Recocido normalizado. 15
Fig. 18 Acero Recocido pulido y microscopio metalográfico Leica DM6000. 16
Fig. 19 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000. 17
Fig. 20 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000 (Acero Recocido). 18
ii
Fig. 21 Acero 1040: Microestructura Acero 1040 recocido. Muestra Ferrita y Perlita. Ataque en
4% de Picral más 2% Nital. Aumento 500x. 19
Fig. 22 Preparación de probetas, eliminación de la cabeza. 19
Fig. 23 Cilindrado, arranque de viruta. 20
Fig. 24 Probeta tipo "Hueso de Perro". 20
Fig. 25 Ensayo de tracción. 21
Fig. 26 Momento de la ruptura. 21
Fig. 28 Gráfica esfuerzo-deformación. 22
Fig. 27 Ruptura dúctil. 22
Fig. 29 Dureza Rockwell C. 23
Fig. 30 Rosca UNJ (Internal, External). 26
Fig. 31 Rosca UNJ externa. 27
Fig. 32 Símbolos utilizados para las tolerancias geométricas. 30
Fig. 33 Diagrama del análisis funcional. 33
Fig. 34 Sistema de las medias masas. 33
Fig. 35 Perno (vista isométrica). 35
Fig. 36 Vista frontal del perno. 35
Fig. 37 Cuerda Nacional Fina Unificada en V-60°. 36
Fig. 38 Mallado. 37
Fig. 39 Esfuerzo máximo. 38
Fig. 40 Esfuerzo máximo concentrado en la cuerda. 38
Fig. 41 Operación de torneado. 39
Fig. 42 (a) Careado, (b) Torneado ahusado, (c) Torneado de contornos, (d) Formado en torno,
(e) Achaflanado, (f) Tronzado, (g) Roscado, (h) Perforado, (i) Taladrado y (j) Moleteado. 42
Fig. 43 Forjado sin rebaba: (1) Inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo,
(2) Compresión parcial y (3) Final de la carrera del punzón y cierre del dado. Los símbolos v y F
indican movimiento (v = velocidad) y (F= fuerza aplicada). 44
Fig. 44 Etapas del proceso de manufactura del prototipo de un perno. 46
Fig. 45 Torneado general. 47
Fig. 47 Cabezal divisor. 48
Fig. 46 Roscado. 48
Fig. 48 Maquinado de la cabeza hexagonal. 49
Fig. 49 Prototipo terminado. 49
iii
RESUMEN
El presente trabajo pretende caracterizar el material del cual están hechos los
pernos que unen las medias masas del tren de aterrizaje principal del ATR 42-
500. Así como proponer un rediseño del mismo debido a la constante rotura de
éstos en la empresa Aeromar. Para ello, el componente mecánico de unión de
éstas masas ha sido observado a detalle mediante un proceso de metalografía,
pruebas de dureza y tensión para aproximarnos al tipo de material del cual está
compuesto dicho perno. De esta manera se propondrá un nuevo material, el
cual se desea sea más resistente, se propondrá el modelado del mismo así
como el proceso de manufactura.
iv
ABSTRACT
The present study aims to characterize the material of which facts are the bolts
that attach the half masses of the main landing gear of the airplane ATR 42-500.
As well as propose a redesign of the same due to the constant breakage of
these in the company Aeromar. This mechanical component has been observed
in detail through a process of metallography, hardness and stress tests for
approaching the type of material which is made the bolt. In this way will propose
a new material, which you want to be more resistant, and will propose the
modeling of the same as well as the manufacturing process.
v
INTRODUCCIÓN
El perno es una pieza metálica larga de sección constante cilíndrica,
normalmente hecha de Acero o Hierro. Está relacionada con el tornillo pero
tiene un extremo de cabeza redonda, una parte lisa, y otro
extremo roscado para la chaveta, tuerca, o remache, y se usa para sujetar
piezas en una estructura, por lo general de gran volumen.
Los pernos de uso aeronáutico se fabrican con diferentes materiales,
aleaciones de Acero, aleaciones de Aluminio y de Titanio, se les aplica
tratamientos anticorrosivos como el cadmiado en el caso de Aceros y anodizado
en el caso de aleaciones de Aluminio.
Durante el proceso de mantenimiento de la aeronave ATR 42 se ha encontrado
que en el momento en que se realizaba la inspección visual, uno de los 10
pernos que sujetan a las 2 masas que conforman el rin del tren de aterrizaje se
encontraba roto, provocando en algunos casos, que el neumático se desinflara
y por lo tanto se dañara. Este problema se ha presentado a lo largo de los
últimos 2 años, causando gastos innecesarios y pérdida de tiempo en
mantenimiento, debido a que era necesario cambiar de 4 a 8 pernos al mes. En
el presente trabajo se plantea, por lo tanto, el esclarecimiento de las posibles
causas que conllevaron a que fallara dicho componente, y así mecanizar un
perno capaz de soportar las condiciones de trabajo.
Fig. 1 Perno que une las medias masas.
vi
Fig. 2 Esquema de la sujeción de las medias masas.
Fig. 3 Esquema de las medias masas de la rueda.
vii
OBJETIVO GENERAL
Rediseñar y manufacturar un perno que sea resistente a la rotura debida a las
cargas que se concentran en las medias masas que conforman la rueda del tren
principal de aterrizaje del ATR 42 320/500, producidas por las distintas cargas a
las que se encuentra sometido.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
I. Realizar el estudio metalográfico del perno para conocer su
microestructura.
II. Realizar pruebas mecánicas para determinar el comportamiento
del material con el que está fabricado el perno.
III. Rediseñar el perno con un material más resistente que el original.
IV. Proponer un proceso de manufactura para el perno.
ALCANCES
En esta tesina se pretende rediseñar y proponer el proceso de manufactura de
un perno que sea resistente a las condiciones de trabajo a las que se encuentra
sometido este elemento mecánico, calculado y sustentado por la simulación de
software y pruebas mecánicas.
viii
METODOLOGÍA
1. Identificar el tipo de material del que está compuesto el perno, utilizando
pruebas metalográficas y mecánicas.
2. Rediseñar y proponer un material adecuado para el propósito.
3. Modelar por medio del software CATIA V5® y simular el comportamiento
de dicho elemento mecánico.
4. Proponer el proceso de manufactura del perno con los materiales
previamente seleccionados.
Capítulo 1 – Estado del arte
1
CAPÍTULO 1 - ESTADO DEL ARTE
1.1 PERNOS DE USO AERONÁUTICO
Los elementos de fijación roscados son los más utilizados cuando se desea
lograr una juntura de componentes segura y de gran rigidez, los utilizados en la
industria aeronáutica pueden ser de dos tipos, los pernos y los tornillos.
La diferencia entre ellos es que los primeros son utilizados en estructuras que
demandan gran resistencia, mientras que los segundos se aplican en
condiciones donde los estados de carga son bajos y no requieren una demanda
de seguridad alta.
Otra diferencia importante entre estos dos tipos de fijaciones es que los pernos
tienen un tipo de rosca diferente al del tornillo, es decir para fijar dos
componentes utilizando pernos se necesitará contar con una tuerca mientras
que para los tornillos se debe hacer un alojamiento hembra en uno de los
componentes para que el tornillo se fije y de esa forma fije a las dos partes.
Dentro de las partes de un perno, se puede definir el ¨cuello¨ de una fijación,
esta es la longitud no roscada que tiene un perno. Existen pernos que son
totalmente roscados, tienen aplicaciones particulares como unir dos piezas
donde no se necesite una zona no roscada; en general son pernos de
longitudes pequeñas (figura 4).
Capítulo 1 – Estado del arte
2
Los pernos de Acero utilizan aleaciones que soportan tensiones máximas de
830 MPa (120 kpsi) y son utilizadas en las estructuras aeronáuticas por su alto
compromiso de seguridad, es común utilizar pernos bajo la clasificación AN, MS
y NAS.
Debido a las consideraciones anteriores las especificaciones para pernos
aeronáuticos que están expuestos a tensiones cíclicas y dinámicas durante el
servicio a menudo requieren la fabricación de filetes por medio de rolado en frío
y luego estos ser tratados térmicamente.
Los pernos se usan en estructuras, máquinas herramientas, vehículos, prensas
y elementos de elevación, entre otros. En muchos casos, los pernos están
sometidos a cargas variables combinadas, por lo que debe aplicarse una teoría
de falla por fatiga. Un perno puede fallar en el núcleo o en los filetes; se debe
tener en cuenta el diámetro del perno, así como el número de filetes en
contacto con la tuerca.
Fig. 4 Partes de un perno.
Capítulo 1 – Estado del arte
3
Los pernos tienden a ser reemplazados por otros métodos de unión que
proporcionan mayor facilidad de manufactura y ensamble. Sin embargo, éstos
son ampliamente usados en las máquinas, debido a sus ventajas: versatilidad,
variedad, fácil montaje y desmontaje.
Los pernos de unión son métodos semipermanentes, y en esto radica su gran
ventaja ya que pueden montarse y desmontarse sin necesidad de destruirlos. El
perno va acompañado de una tuerca a diferencia de un tornillo que sólo es
enroscado.
Fig. 5 Perno.
Fig. 6 Aplicaciones de los pernos.
Capítulo 2 – Caracterización del material
4
CAPÍTULO 2 - CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
Consiste en la obtención de información (composición, estructura, topografía,
morfología, propiedades en general) acerca de un material a partir de la
interacción de una señal (eléctrica, luminosa, térmica, etc.) con una porción del
material. Por tanto, toda caracterización de un material supone una agresión al
mismo, es decir, una perturbación del material. El estudio de la respuesta del
material a dicha perturbación nos permite obtener información acerca del
mismo.
2.1 METALOGRAFÍA
La metalografía estudia la estructura microscópica de los metales y sus
aleaciones. Antes de observar un metal al microscopio, es necesario
acondicionar la muestra de manera que quede plana y pulida. Plana, porque los
sistemas ópticos del microscopio tienen muy poca profundidad de campo y
pulida porque así observaremos la estructura del metal y no las marcas
originadas durante el corte u otros procesos previos.
Las fases de preparación de la probeta metalográfica (figura 7) son las
siguientes:
1) Corte de la muestra.
2) Montaje (opcional).
3) Desbaste.
4) Pulido.
5) Ataque químico.
Capítulo 2 – Caracterización del material
5
2.1.1 CORTE DE LA MUESTRA
El corte es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el
metal. Si el corte es muy agresivo, no veremos el metal que queremos estudiar
sino la estructura resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para
reducir estos efectos al mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes
variables: lubricación, corte a bajas revoluciones y poca presión de la probeta
sobre el disco de corte (figura 8).
Fig. 7 Etapas de la preparación metalográfica.
Fig. 8 Esmerilado burdo o tosco.
Capítulo 2 – Caracterización del material
6
2.1.2 DESBASTE
Durante el proceso de desbaste se eliminan gran parte de las rayas producidas
en el corte. Se realiza sobre una superficie plana sin rugosidades con lijas de
distintos diámetros de partícula (200,300, 600), cada vez más finos. Cada vez
que se cambia de lija, es muy importante limpiar muy bien la probeta con agua
abundante para eliminar los posibles restos de partículas de la lija anterior, así
evitamos que se produzcan rayas por partículas que hayan podido quedar de la
lija anterior cuando estamos trabajando con un disco de grano más fino.
2.1.3 PULIDO
Se realiza con paños especiales. Como abrasivo, se utiliza alúmina; la cual se
aplica con agua. En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se
pretende es eliminar todas las rayas producidas en procesos anteriores. El
pulido finaliza cuando la probeta tiene un acabado espejo perfecto.
Fig. 9 Proceso de desbaste.
Capítulo 2 – Caracterización del material
7
2.1.4 ATAQUE QUÍMICO
El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará
los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases
presentes en el metal.
Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso
del Acero el más utilizado es el NITAL, que se prepara disolviendo ácido nítrico
en etanol.
2.2 ENSAYOS MECÁNICOS
Para conocer las propiedades mecánicas de los metales o aleaciones se les
somete a ensayos mecánicos, que permiten obtener cifras que los caracterizan
y que se utilizan para que el empleo de estos materiales se haga en
conformidad a las mejores posibilidades que existen.
Las probetas de ensayo son muestras debidamente elegidas, a las cuales se
les da la forma y dimensiones apropiadas, para efectuar cada ensayo.
Los ensayos mecánicos consisten en someter las probetas a esfuerzos
controlados que se aplican en condiciones determinadas.
Fig. 10 Proceso de pulido.
Capítulo 2 – Caracterización del material
8
Los resultados permiten expresar, en cifras, las cualidades de la muestra,
relativas a cada ensayo.
2.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN
El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada a un
esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la
probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o
aplicada lentamente. La probeta se dimensionó de forma proporcional, de
acuerdo a la norma ASTM E8/E8M, ―Métodos de prueba estándar para pruebas
de tensión en materiales metálicos‖.
Tabla 1 Dimensiones para probetas pequeñas estándar.
Dimensiones, mm
Para pruebas de especímenes con una longitud calibrada de cuatro veces el diámetro
Espécimen
Estándar
Tamaños pequeños de especímenes proporcionales al
estándar
Espécimen
1 Espécimen 2 Espécimen 3 Espécimen 4 Espécimen 5
G - Longitud calibrada 50.0 ± 0.1 36.0 ± 0.1 24.0 ± 0.1 16.0 ± 0.1 10.0 ± 0.1
D – Diámetro (*) 12.5 ± 0.2 9.0 ± 0.2 6.0 ± 0.1 4.0 ± 0.1 2.5 ± 0.1
R - Radio 10 8 6 4 2
A - Longitud de la sección reducida
(**) 56 45 30 20 16
La sección reducida puede tener un ahusado gradual desde los extremos hasta el centro, con los
extremos no más de 1 % más largos en diámetro, que el centro (control de la dimensión).
Fig. 11 Probeta circular normalizada ASTM E8.
Capítulo 2 – Caracterización del material
9
Si se desea, se puede aumentar la longitud de la sección reducida para acomodar un extensómetro
de cualquier longitud calibrada conveniente. Las marcas de referencia para la medición de la
elongación deben, sin embargo, estar espaciadas a la longitud calibrada indicada.
Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo
tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la
distancia entre marcas y deformación. El esfuerzo y la deformación ingenieriles
se definen mediante las siguientes ecuaciones:
Esfuerzo ingenieril.
(2.1)
Deformación ingenieril.
(2.2)
Donde A0 es el área original de la sección transversal de la probeta antes de
iniciarse el ensayo es la distancia original entre las marcas calibradas y es
la distancia entre las marcas después de verse aplicado la fuerza F.
Fig. 12 Curva esfuerzo-deformación.
Capítulo 2 – Caracterización del material
10
A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con
la resistencia y rigidez del material.
2.2.2 ESFUERZO DE CEDENCIA
Es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. El esfuerzo
de cedencia es por lo tanto el esfuerzo que divide los comportamientos elástico
y plástico del material.
2.2.3 RESISTENCIA A LA TENSIÓN
Es el esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada, que es el esfuerzo
máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril, la resistencia a la
tensión es el esfuerzo al cual se inicia un encuellamiento o estricción en
materiales dúctiles.
Fig. 13 Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil produciendo una región de encuellamiento.
Capítulo 2 – Caracterización del material
11
2.2.4 PROPIEDADES ELÁSTICAS
El módulo de elasticidad o módulo de Young es la pendiente de la curva
esfuerzo-deformación en su región elástica esta relación es la ley de Hooke.
(2.3)
El módulo es la medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto
módulo de elasticidad, conserva su tamaño y forma, incluso al ser sometido a
una carga en la región elástica.
El módulo de resistencia , es el área que aparece bajo la porción elástica de
la curva esfuerzo deformación, es la energía elástica que un material absorbe o
libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectiva mente.
LA RELACIÓN DE POISSON
La relación de Poisson relaciona la deformación elástica longitudinal producida
por un esfuerzo simple a tensión o compresión con la deformación lateral que
ocurre simultáneamente.
(2.4)
DUCTILIDAD
La ductilidad mide el grado de formación que puede soportar un material sin
romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas antes y
después del ensayo. El porcentaje de elongación representa la distancia que la
probeta se alarga plásticamente antes de la fractura.
(2.5)
Capítulo 2 – Caracterización del material
12
Los fabricantes prefieren un material dúctil afín de manufacturar formas
complicadas sin que se rompan durante el proceso.
EFECTO DE LA TEMPERATURA
Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. El esfuerzo de
cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuye a
temperatura más alta en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa.
2.2.5 ENSAYO DE DUREZA
De manera genérica se entiende por dureza la resistencia superficial a la
deformación de un sólido. Aunque no es una propiedad fundamental de un
material, a partir de ella se pueden obtener informaciones acerca de las
características mecánicas del mismo, ya que está relacionada con las
propiedades elásticas y plásticas.
La dureza de un metal se mide forzando la indentación de un penetrador en la
superficie del metal. El penetrador, que normalmente es una bola, pirámide o
Fig. 14 Efecto de la temperatura (a) En la curva esfuerzo deformación y (b) Sobre las propiedades a tensión de una aleación de Aluminio.
Capítulo 2 – Caracterización del material
13
cono, está fabricado con un material mucho más duro que el material a ensayar
(acero templado, carburo de Tungsteno o diamante).
Se aplica lentamente una carga, que presiona el penetrador contra la superficie
del metal a ensayar y perpendicularmente a ésta (figura 15-a). Después de
producir la indentación, se retira el penetrador (figura 15-b). Se calcula o se lee
en un dial un número empírico de dureza basado en el área del corte
transversal de la huella producida o en su profundidad.
a) b)
2.2.6 DUREZA ROCKWELL
Para los materiales duros se emplea como elemento de penetración un cono de
diamante de ángulo 120º y para los semiduros y blandos una bolita de acero de
1/16‖, deduciéndose la fuerza Rockwell de la profundidad conseguida en la
penetración.
Fig. 15 a) Durómetro Rockwell AR20 MITUTOYO b) Proceso de medición.
Capítulo 2 – Caracterización del material
14
El cuerpo empleado para la penetración se hace incidir sobre la superficie de la
pieza a ensayar con carga previa de 10Kg. La profundidad de penetración
alcanzada constituye el valor de partida para la medición de la profundidad de la
huella. Después se aumenta en 140Kg la carga aplicada al cono (150Kg), y en
90Kg la aplicada a la bolita (100Kg), bajándose nuevamente el valor previo. Se
mide la profundidad de penetración que queda y en la escala del aparato se lee
directamente la correspondiente dureza Rockwell C (HRC) cono o la Rockwell B
(HRB) bolita.
Tabla 2 Características del método de ensayo de dureza Rockwell.
Ensayo Indentador Forma de la indentación Carga, P Numero de Dureza
Vista lateral Vista Superior
2.3 RECOCIDO NORMALIZADO
Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina de un material sin
alterar su composición química otorgando características mecánicas al
material.
Su objetivo es dejar un material en estado normal, ausencia de tensiones
internas y con una distribución uniforme del Carbono. Suele emplearse como
tratamiento previo al temple y al revenido.
Capítulo 2 – Caracterización del material
15
Se afina el grano de la estructura y se compensan irregularidades producidas
por deformaciones. El proceso consiste en calentar a temperaturas entre 750 y
980° C, por encima de los 50° C de la temperatura critica superior.
La muestra se somete a un recocido, a 850 °C, manteniéndola a 30 minutos
con dicha temperatura, posteriormente se deja enfriar en aire tranquilo para
obtener una estructura uniforme, reducir la dureza y la resistencia del material,
de esta forma recuperaremos la estructura original del material, ya que se
eliminan las tenciones internas y se disminuye el tamaño del grano y
haciéndose más fino, con lo cual se obtiene una estructura perlitica (figura 17).
Fig. 16 Normalizado.
Fig. 17 Recocido normalizado.
Capítulo 2 – Caracterización del material
16
Para poder observar la estructura cristalina del Acero recocido, es necesario
lijar y pulir la superficie hasta obtener un acabado de tipo espejo, como la
muestra anterior. Finalmente se ataca con el reactivo NITAL y se observa en el
microscopio a 100x, 200x y 500x.
2.4 RESULTADOS
La muestra que se analizó en el microscopio tiene un Temple, por lo tanto la
comparación con otros materiales no será la adecuada, ya que los estudios
metalográficos ya existentes a Aceros de tipo comerciales fueron aplicados a
Aceros puros, es decir, sin algún tratamiento térmico que alterara su estructura
cristalina y sus propiedades mecánicas.
En la figura 19 podemos observar la formación de Martensita, que nos indica
que este Acero fue tratado térmicamente con un proceso de templado, el cual le
brindo mayor dureza y resistencia.
Fig. 18 Acero Recocido pulido y microscopio metalográfico Leica DM6000.
Capítulo 2 – Caracterización del material
17
Para poder observar la microestructura natural del acero, fue necesario realizar
un tratamiento térmico conocido como recocido normalizado, el cual reduce las
tensiones internas y el tamaño del grano para regresar a su estructura cristalina
normal.
Posteriormente se realiza el estudio metalográfico el cual nos ayudará a
comparar las estructura cristalina de este Acero con metalografías de otros
Aceros, tomamos una muestra a 100x, 200x, y 500x, debido a que son los más
comunes que podemos encontrar en fuentes bibliográficas.
En la figura 20 es posible observar la predominación de Perlita (áreas grises y
negras) y Ferrita (áreas blancas), las áreas cafés en la figura son óxido, esta
fotografía fue obtenida con el equipo Leica DM6000 a 500x para su posterior
comparación.
Fig. 19 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000.
Capítulo 2 – Caracterización del material
18
Comparando la estructura anterior con las microestructuras obtenidas de
distintas bibliografías, encontramos un gran parecido a la estructura de un
Acero con porcentaje medio de Carbono, el rango de Aceros que tiene este
porcentaje de Carbono se encuentra entre un Acero 1035 y un Acero 1070.
Se presume que puede tratarse de un Acero 1040, el cual está conformado por
Ferrita y Perlita en su mayoría, como se muestra en la siguiente figura, el Acero
fue sometido a un recocido normalizado y atacado con el mismo reactivo que
utilizamos (NITAL):
Fig. 20 Fotografía tomada a 500x en el microscopio Leica DM6000 (Acero Recocido).
Capítulo 2 – Caracterización del material
19
De acuerdo a la norma ASTM E8/E8M se maquinaron probetas (obtenidas de
pernos donados por Aeromar) a un tamaño proporcional al material disponible
para su análisis. Es necesario que el maquinado sea limpio, ya que no debe
contener ni una ralladura, debido a que es ahí donde se concentran los
esfuerzos y por consecuencia la prueba de tensión no arrojará datos correctos.
Fig. 21 Acero 1040: Microestructura Acero 1040 recocido. Muestra Ferrita y Perlita. Ataque en 4% de Picral más 2% Nital. Aumento 500x.
Fig. 22 Preparación de probetas, eliminación de la cabeza.
Capítulo 2 – Caracterización del material
20
Finalmente el resultado son microprobetas del tamaño especificado en la norma
ASTM E8/E8M y con esto podemos realizar las pruebas de tensión, el torneado
debe realizarse con un avance lento y con revoluciones ligeramente altas
debido a que el material es muy duro, esto evitará que el cortador se
sobrecaliente y se rompa. Es importante agregar refrigerante a la hora del
maquinado.
Posteriormente las probetas fueron sometidas a ensayos mecánicos, para la
determinación de la resistencia del material, la dureza, el módulo de elasticidad,
el esfuerzo de cedencia y la resistencia a la tracción, dichos datos servirán para
la determinación para la sustitución del material y la determinación de las
cargas que podrá soportar el nuevo material.
Fig. 23 Cilindrado, arranque de viruta.
Fig. 24 Probeta tipo "Hueso de Perro".
Capítulo 2 – Caracterización del material
21
Para la prueba de tensión se utilizó una carga de 3800 kg (simulando las carga
máxima que puede resistir el material), la cual se aplicó a las 4 probetas que se
maquinaron, con una velocidad de 0.5 mm por minuto, para tener una mejor
referencia de resultados. En la siguiente figura podemos observar que la
probeta falla en el centro de la longitud efectiva, es decir por dentro de los 3 cm
que establecía la norma:
Fig. 25 Ensayo de tracción.
Fig. 26 Momento de la ruptura.
Capítulo 2 – Caracterización del material
22
En la siguiente figura es posible observar la ruptura del perno, la cual se
caracterizó por ser una fractura dúctil, la cual comenzó con la formación de un
cuello, antes de la ruptura se formó una grieta que se propagó de forma
perpendicular a la tensión aplicada hasta lograr la ruptura, en la cual se formó la
llamada ―estrella‖, los cual nos indica nuevamente que el Acero ensayado es un
Acero de medio Carbono.
En la siguiente gráfica se relacionaron los datos obtenidos en el ensayo de
tracción de 3 de las probetas.
Fig. 28 Gráfica esfuerzo-deformación.
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 2 4 6 8 10
Esfu
erzo
(kg
f)
Deformación
Probeta 1
Probeta 2
Probeta 3
Fig. 27 Ruptura dúctil.
Capítulo 2 – Caracterización del material
23
Para realizar una prueba de dureza es necesario tener una muestra del
material, la cual se obtiene con un corte de pieza perpendicular al eje
transversal de ésta, ya que es necesario tener caras planas paralelas, para
evitar movimientos durante el ensayo.
Por norma, es necesario realizar 5 mediciones de dureza en la muestra ya que
una sola medición no es confiable, la repetición de éstas nos arrojará la medida
correcta. Sólo se realizaron 4 mediciones, debido a que a partir de la segunda
muestra la lectura fue exactamente la misma y ya no fue necesaria una quinta
medición y se obtuvo una dureza Rockwell 43C.
En base a las pruebas realizadas anteriormente, se presume que el Acero
estudiado, del cual están conformados los pernos, es un acero asignación
SAE1040, debido a la comparación de su microestructura con la de otros
Aceros, así como la prueba de tracción y dureza, obtuvimos las siguientes
propiedades:
Fig. 29 Dureza Rockwell C.
Capítulo 2 – Caracterización del material
24
Tabla 3 Resultados.
Probeta con tratamiento térmico
Propiedad Valor Unidades
E - Limite elástico 75
Resistencia a la
tracción
88.2
∆ - Dureza 43 (Rockwell)
A% - Alargamiento 24.5 %
∑% - Estricción 70.3 %
En base a los ensayos anteriores se propuso un nuevo material, el cual fue
elegido dentro de una serie de Aceros comerciales, este material es más
resistente que el acero designación SAE1040 y debido a que al maquinar en la
cuerda se concentran esfuerzos dentro de ésta, el nuevo material será capaz de
soportar más esfuerzos que el anterior.
2.4.1 ACERO DESIGNACIÓN TX10
Este Acero es utilizado para maquinaria, es un Acero al Cromo-Níquel-
Molibdeno y es muy resistente a la fatiga.
Es un Acero de baja aleación y medio Carbono, su alta templabilidad permite
obtener buenas propiedades en secciones grandes, es considerado como una
buena opción es donde se requiere de buena dureza y alta tenacidad, su
forjabilidad es muy buena, tiene buena maquinabilidad.
Tabla 4 Composición química Acero TX10.
Capítulo 2 – Caracterización del material
25
2.4.2 PROPIEDADES FÍSICAS
Densidad: ⁄
⁄
Temperaturas críticas:
2.4.3 PROPIEDADES MECÁNICAS
Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero TX10.
RESISTENCIA A LA TENSIÓN
(Kg/cm2)
PUNTO DE CEDENCIA (Kg/cm2)
% ELONGACIÓN
EN 50.8 mm.
REDUCCIÓN DE ÁREA
DUREZA BRINELL
7580 4800 21 50 215
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
26
CAPÍTULO 3 - REDISEÑO Y MODELADO
3.1 ROSCA UNJ
El estándar de la rosca UNJ (ASME B1.15) define un sistema de hilos muy
destacado en aplicaciones que requieren una alta resistencia a la fatiga. Fue
derivado a partir de una especificación militar (MIL-S-8879).
MIL-S-8879 se pensó utilizar principalmente para sujetadores en la industria
aeroespacial y en aplicaciones de componentes roscados. Debido al aumento
tanto en su uso y tipo de aplicaciones, la Sociedad Americana de Ingenieros
Mecánicos desarrolló y publicó la norma ASME B1.15 en 1995.
Fig. 30 Rosca UNJ (Internal, External).
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
27
3.1.1 FORMA
Las roscas UNJ tiene la misma forma que las roscas unificadas ASME / ANSI
B1.1, excepto:
Roscas externas: la raíz tiene un radio continuo prescrito máximo y mínimo, y
no es solamente redondeado debido al desgaste de la herramienta.
Roscas internas: el diámetro menor se incrementa para acomodar el radio
máximo de la raíz de la rosca externa. No hay ningún requisito de radio, ya sea
para la cresta o el fondo de la rosca interna.
Fig. 31 Rosca UNJ externa.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
28
3.1.2 DESIGNACIÓN
La cuerda UNJ de un producto se identifica con la letra ―J‖ en el símbolo de la
rosca, y un símbolo para la clase de la rosca que incluye ―A‖ para roscas
externas o ―B‖ para roscas internas.
EL USO DE HERRAMIENTAS UNIFICADAS
Muchas de las roscas UNJ tiene la misma forma característica que las roscas
UN. Por lo tanto, algunas de las herramientas utilizadas para producir una forma
pueden ser utilizadas para producir otra.
Las roscas externas UNJ deben ser producidos con un radio raíz prescrito, por
lo tanto, una herramienta para rosca estándar unificada (UN) no puede ser
utilizada.
Las roscas internas UNJ no están obligadas a tener un radio de raíz, por lo
tanto pueden utilizarse machuelos diseñados para producir roscas unificadas de
la clase correcta de ajuste. La letra ―J‖ no tiene que ser marcada en la
superficie.
El producto de mayor diámetro menor de la rosca interna UNF requiere el uso
de machuelo más grande del que se utiliza cuando se producen roscas
unificadas.
3.2 AJUSTES Y TOLERANCIAS
Las condiciones de funcionamiento de una pieza obligan a establecer holguras
o aprietes entre ella y aquellas sobre las que se monta; por ejemplo, la
condición de deslizamiento entre un pistón y el cilindro sobre el que debe
moverse implica necesariamente la necesidad de un juego, la magnitud del
mismo dependerá de una serie de condiciones funcionales.
Para establecer criterios que permitan conjugar las condiciones funcionales con
los errores de los procesos de fabricación, manteniendo la intercambiabilidad,
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
29
se desarrollaron los sistemas de tolerancias. En la actualidad el más
ampliamente aceptado es el normalizado por ISO recogido en la norma UNE 4-
040-81, con sus variantes de sistemas de eje único o agujero único.
El propósito de los intervalos de tolerancia es el de admitir un margen para las
imperfecciones en la manufactura de componente, ya que se considera
imposible la precisión absoluta desde el punto de vista técnico, o bien no se
recomienda por motivos de eficiencia: es una buena práctica de ingeniería el
especificar el mayor valor posible de tolerancia mientras el componente en
cuestión mantenga su funcionalidad, dado que cuanto menor sea el margen de
tolerancia, la pieza será más difícil de producir y por lo tanto más costosa.
3.2.1 TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS
Los límites de una pieza determinados por las tolerancias dimensionales
pueden comportar errores de forma no admisibles para el funcionamiento
correcto de las piezas.
Para delimitar los posibles errores de la geometría, se utilizan las tolerancias de
forma o geométricas aplicables a los distintos elementos constitutivos de una
pieza. La norma UNE 1-191-91 establece las definiciones, símbolos e
indicaciones utilizadas para los dibujos.
Zona de tolerancia aplicada a un elemento: Espacio geométrico dentro del cual
el elemento debe de estar contenido, de acuerdo con la característica de la
tolerancia puede ser una de las siguientes:
Superficie de un círculo.
Superficie comprendida entre dos círculos concéntricos.
Superficie comprendida entre dos líneas equidistantes o rectas paralelas.
Espacio interior a un círculo.
Espacio entre dos cilindros coaxiales.
Espacio entre dos planos equidistantes o dos planos paralelos.
Espacio interior a un paralelepípedo.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
30
3.2.2 SISTEMA DE AGUJERO BASE O AGUJERO ÚNICO
Se denomina así, dentro del sistema de tolerancias ISO a un sistema de ajustes
en el que son nulas las desviaciones o diferencias inferiores para todos los
agujeros con posición H.
De esta forma los diferentes ajustes, juegos o aprietes se obtienen para la
misma medida nominal, con posiciones y calidades (amplitudes de tolerancia)
variables para los ejes, en consecuencia se producen juegos para los ejes en
que los límites superiores e inferiores estén por debajo de cero; aprietes,
cuando los dos límites están por encima del superior del agujero; y ajustes
inciertos (juego o apriete) cuando alguno de los límites de los ejes es inferior al
máximo del agujero.
Se denomina Ajuste a la relación mecánica existente entre dos piezas que
pertenecen a una máquina o equipo industrial, cuando una de ellas encaja o se
acopla en la otra.
Fig. 32 Símbolos utilizados para las tolerancias geométricas.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
31
3.2.3 DETERMINACIÓN DE TOLERANCIAS DE AJUSTE
Cuando conocemos las condiciones límites de un ajuste, juego máximo y
mínimo o apriete máximo y mínimo que se desean utilizar, realizamos lo
siguiente:
1 - Se determina el valor de la tolerancia del ajuste Tj o Ta (según sea juego o
apriete). En el caso de un juego:
(3.1)
2 - Se reparte la tolerancia TJ entre dos tolerancias normalizadas tratando que
las diferencias entre las calidades de ejes y agujeros sea de uno o dos
grados de calidad, y que la mayor corresponda al agujero. La suma de las
tolerancias de eje y agujero elegidas debe ser lo más próxima posible a la
tolerancia del ajuste TJ y en todo caso inferior a ésta. En el caso de un
juego:
(3.2)
3 - Se elige el sistema de ajuste normalizado (agujero o eje único)
4 - Elegir el ajuste normalizado de acuerdo con los datos anteriores
Donde:
dm – diámetro superior para ejes
Dm – diámetro superior para agujeros
dM – diámetro inferior para ejes
DM - diámetro inferior para agujeros
La diferencia fundamental es aquella que nos permite definir la zona de
tolerancia respecto al valor nominal:
Agujero: (3.3)
(3.4)
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
32
Eje: (3.5)
(3.6)
La tolerancia t (para ejes) y T (para agujeros) es la variación máxima que puede
tomar la medida de una pieza o diferencia entre sus dimensiones límites.
CÁLCULO DE LA TOLERANCIA PARA EJE:
di= 0.3735‖
ds= 0.3745‖
De acuerdo a la siguiente fórmula:
(3.7)
Donde
CÁLCULO DEL AJUSTE CON JUEGO MÓVIL:
Se calcula el juego mínimo y el juego máximo, donde:
(3.8)
(3.9)
Sustituyendo valores tenemos:
3.2.4 ACOTACIÓN FUNCIONAL
Es la acotación basada en el análisis de las misiones a cumplir dentro de una
máquina o mecanismo de la pieza a acotar y se deduce directamente de las
condiciones de funcionamiento.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
33
El objetivo de una acotación funcional es asegurar el funcionamiento correcto
de un mecanismo o conjunto mecánico, con las tolerancias más amplias
posibles (para disminuir el precio de coste) de sus componentes. Para ello, las
cotas funcionales deben de expresarse explícitamente (no por deducción de
otras) sobre cada pieza, siendo indicadoras de las condiciones necesarias para
que la pieza desempeñe su papel en el conjunto a que pertenece.
Para lograr el correcto montaje de las medias masas que conforman la rueda
del tren de aterrizaje principal del ATR-42 definiremos las tolerancias de los
diámetros de los componentes a los cuales debemos sumar las tolerancias de
posición de sus centros, a fin de que el montaje sea posible.
Tenemos el conjunto en el cual cada una de las piezas ha de ser fabricada
independientemente, por lo tanto se requieren condiciones de
intercambiabilidad total.
Fig. 33 Diagrama del análisis funcional.
Fig. 34 Sistema de las medias masas.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
34
Donde:
1 y 2 son las medias masas que conforman al rin
3 está referido al perno
4 es la tuerca
Considerando las condiciones de montaje más desfavorables, tenemos que:
(3.10)
Considerando a t= 0.001‖ y un diámetro máximo del perno= 0.3745‖ de acuerdo
al diseño, tenemos que el diámetro mínimo del agujero será de:
La determinación del diámetro, máximo del agujero estará definida por el juego
máximo admisible el cual fue de 0.41397‖.
Si el diámetro del agujero resulta ser superior al mínimo, la tolerancia de
posición puede ampliarse, esta posibilidad queda expresada por la introducción
de la condición de máximo material. Suponiendo que D1 es el diámetro de
agujero comprendido entre el máximo y el mínimo:
(3.11)
Donde:
(3.12)
Siendo por lo tanto mayor que t, si:
(3.13)
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
35
3.3 MODELADO
En base a las consideraciones anteriores se realizó el modelado del perno que
une las masas que conforman el rin del tren de aterrizaje, para lo cual,
utilizamos el software de modelado CATIA V5®, se consideró la cuerda
analizada y el tamaño real del perno.
Fig. 35 Perno (vista isométrica).
Fig. 36 Vista frontal del perno.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
36
3.3.1 DESIGNACIÓN DE LA ROSCA DEL PERNO .3750-24UNJF-3A
Tabla 6 Cuerda .3750-24UNJF-3A.
.3750 Diámetro Nominal = Diámetro Mayor
24 Número de Hilos por Pulgada
UN Nacional Unificada (60° – Cuerda en V-)
J Raíz con Radio Controlado — Alta Resistencia (Menor Diámetro Incrementado desde UN a UNJ)
F Cuerda Fina
3 Clase de Cuerda (Tolerancia)
A Cuerda Externa
B Cuerda Interna
Fig. 37 Cuerda Nacional Fina Unificada en V-60°.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
37
3.4 SIMULACIÓN
Para realizar la simulación de concentración de esfuerzos, es necesario utilizar
el método del elemento finito, el cual, está referido a la aproximación de
soluciones de ecuaciones diferenciales parciales, para lo cual se malló el perno
en el software ANSYS V12®, utilizando las características del nuevo material:
En la siguiente figura podemos observar el comportamiento del perno, cuando
trabaja a tensión, debido a que une las medias masas que conforman la rueda,
la presión del neumático provoca que las medias masas tiendan a separase,
por lo que los 10 pernos que unen dichas masas, se encuentran en constante
trabajo para evitar un desastre, también podemos observar que el esfuerzo
máximo se encuentra en la cuerda que tiene el perno, ya que la cuerda tiende a
concentrar esfuerzos, y el esfuerzo mínimo está concentrado en la cabeza del
perno.
Fig. 38 Mallado.
Capítulo 3 – Rediseño y Modelado
38
Fig. 39 Esfuerzo máximo.
Fig. 40 Esfuerzo máximo concentrado en la cuerda.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
39
CAPÍTULO 4 - PROCESO DE MANUFACTURA
4.1 TORNEADO Y OPERACIONES AFINES
El torneado es un proceso de maquinado en el cual una herramienta remueve el
material de la superficie de una pieza de trabajo cilíndrica en rotación. Esta
herramienta avanza linealmente en una dirección paralela al eje de rotación.
El torneado se lleva acabo tradicionalmente en una máquina herramienta
llamada torno, el cual suministra potencia para tornear la pieza a una velocidad
de rotación determinada con avance de la herramienta y profundidad de corte
especificados.
Se utiliza para la fabricación de piezas de revolución. El torneado consiste en
arrancar viruta por medio de un filo o herramienta que avanza longitudinalmente
mientras la pieza a mecanizar gira accionada por el torno.
Fig. 41 Operación de torneado.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
40
4.1.1 CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO
Velocidad de rotación: se relaciona con la velocidad de corte requerida en la
superficie cilíndrica de la pieza de trabajo por la ecuación:
(4.1)
La operación de torneado reduce el diámetro del trabajo al final . El
cambio de diámetro se determina por la profundidad de corte d:
(4.2)
El avance en el torneado se expresa generalmente en . Este
avance se puede convertir a la velocidad de avance lineal en
mediante la fórmula:
(4.3)
El tiempo para maquinar una parte de trabajo cilíndrica de un extremo al otro
está dado por:
(4.4)
La velocidad volumétrica de remoción de material se puede determinar más
conveniente por la ecuación:
(4.5)
4.1.2 OPERACIONES RELACIONADAS CON EL TORNEADO
Careado: la herramienta se alimenta radialmente sobre el extremo del trabajo
rotatorio para crear una superficie plana.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
41
Torneado ahusado o cónico: en lugar de que la herramienta avance
paralelamente al eje de rotación del trabajo, lo hace en cierto ángulo creando
una forma cónica.
Torneado de contornos: en lugar de que la herramienta avanza a lo largo de
una línea recta paralela al eje de rotación como en el torneado, sigue un
contorno diferente a la línea recta, creando así una forma contorneada en la
parte torneada.
Torneado de formas: la herramienta tiene una forma que se imparte al trabajo y
se hunde radialmente dentro del trabajo.
Achaflanado: el borde cortante de la herramientas se usa para cortar un ángulo
en esquina del cilindro y forma lo que se llama un ―chaflán‖.
Tronzado: la herramienta avanza radialmente dentro del trabajo en rotación, en
algún punto a lo largo de su longitud, para trozar el extremo de la parte.
Roscado: una herramienta puntiaguda avanza linealmente a través de la
superficie externa de la parte de trabajo de rotación y en dirección paralela al
eje de rotación, a una velocidad de avance suficiente para crear roscadas en el
cilindro.
Perforado: una herramienta de una punta sencilla avanza en línea paralela al
eje de rotación, sobre el diámetro interno de un agujero existente en la parte.
Taladrado: el taladrado se puede ejecutar en un torno, haciendo avanzar la
broca dentro trabajo rotatorio a lo largo de su eje.
Moleteado: es una operación de formado de metal que se usa para producir un
rayado regular o un patrón en la superficie de trabajo.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
42
4.2 FORJADO
El forjado es un proceso de deformación en el cual el material se comprime
entre los dados, usando impacto o presión gradual para formar la parte. En la
actualidad el forjado es un proceso industrial importante, mediante el cual se
hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles,
vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones, la industria del Acero y de otros
metales básicos usa el forjado para fijar la forma básica de grandes
componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones
definitivas.
Fig. 42 (a) Careado, (b) Torneado ahusado, (c) Torneado de contornos, (d) Formado en torno, (e) Achaflanado, (f) Tronzado, (g) Roscado, (h) Perforado, (i) Taladrado y (j) Moleteado.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
43
Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura
de trabajo. La mayoría de estas operaciones se realizan en caliente (por arriba
y por debajo de la temperatura de recristalización), dada la demanda de
deformación que el proceso requiere y la necesidad de reducir la resistencia e
incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío
también es muy común para ciertos productos.
La ventaja del forjado en frío es la mayor resistencia que adquiere el material,
que resulta del endurecimiento por deformación.
4.2.1 FORJADO SIN REBABA
En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas
veces forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre
forjado con dado impresor y forjado con dado cerrado real.
La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original
queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la
compresión y no se forma rebaba. La secuencia del proceso se ilustra en la
figura 43. Para identificar este proceso es apropiado el término forjado sin
rebaba.
El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso,
más exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante
es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad
del dado dentro de muy estrechas tolerancias.
Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede
causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado
pequeña, no se llenará la cavidad.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
44
Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la
manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar
metales como el Aluminio, el Magnesio o sus aleaciones.
El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de
precisión.
Fig. 43 Forjado sin rebaba: (1) Inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo, (2) Compresión parcial y (3) Final de la carrera del punzón y cierre del dado. Los
símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y (F= fuerza aplicada).
Para realizar el forjado es necesario tomar en cuenta las siguientes
consideraciones:
Temperatura: 1050-850°C (1920-1560°F).
No se debe forjar por debajo de 825°C (1520°F).
El enfriamiento debe ser lento, en horno o material termoaislante.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
45
4.3 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO
El proceso de manufactura del perno se divide en las siguientes etapas:
Tabla 7 Proceso de manufactura.
ETAPAS DEL TRABAJO HERRAMIENTAS
1 Sujeción y centrado de la herramienta. Buril de Cobalto y broca de centros
2 Refrentado y desbastado de la pieza al
diámetro mayor.
Buril de Cobalto para el desbaste y
acabado
3 Desbaste al diámetro menor. Buril de Cobalto para el desbaste y
acabado
4 Preparación del torno para el roscado,
sujeción y centrado del buril para la
rosca.
Buril para rosca
5 Tallado de la rosca. Buril para rosca
6 Biselado de contornos. Buril de Cobalto
7 Tronzado de la pieza. Buril para tronzar
8 Fresado de los cantos de la cabeza
hexagonal.
Cabezal divisor y cortador
9 Acabado en aristas. Lima para acabados
Instrumentos de medida y verificación: Calibrador pie de rey, escantillón, gage
para roscas finas, micrómetro.
Para el proceso de manufactura del perno se utilizó un torno y fresadora de tipo
convencional, para poder apreciar el proceso de manufactura del mismo, así
como los instrumentos de medición adecuados y herramientas necesarias para
cada etapa del proceso.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
46
Para comenzar el torneado del perno se utilizó como herramienta un buril de
Cobalto y para el roscado un buril con el perfil de la rosca, obtenido con un
escantillón para darle un ángulo de 60°.
Es necesario alinear el cortador o buril al centro de rotación de la pieza ya
montada en el torno para obtener un corte lateral derecho del material y no
dejar residuos o rebabas, en este caso utilizamos una barra de Aluminio de
1/2‗‘. Una vez centrado el buril se procede a realizar un careado o refrentado al
perfil del material para dejarlo totalmente plano.
Fig. 44 Etapas del proceso de manufactura del prototipo de un perno.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
47
Posteriormente con una broca de centros se le hace un barreno para colocar el
contrapunto en él, para sí evitar que el material se mueva. Mediante el proceso
de cilindrado se reducirá el diámetro de la barra a 0.650‗‘ debido a que este
valor pertenece al diámetro de la cabeza, el cual es el máximo.
Fig. 45 Torneado general.
Después se realiza un desbaste o cilindrado para llegar al diámetro requerido
del vástago el cual es de 0.375‘‘ por 3.125‘‘ de longitud, para cortar la punta
que contiene al barrero.
Una vez obtenida la medida necesaria se procede a realizar la cuerda con un
cortador más fino, con la característica particular de un ángulo de 60° en la
punta, este cortador tiene así el perfil necesario para la cuerda externa del
perno. El procedimiento es relativamente sencillo, debido a que se debe ajustar
el conjunto de engranes del torno para realizar cuerda, para esto también
utilizamos el reloj, el cual indicará el momento preciso para que la herramienta
corte.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
48
Al término de estos pasos se procede a eliminar los filos de los cortes con un
ángulo de 45°. A continuación se realiza un tronzado de la pieza para reducir el
exceso del material al tamaño adecuado para colocarlo en la fresadora y
trabajar en el acabado de la cabeza.
Se alinea el cabezal divisor con el cabezal de la fresa. Después colocamos la
pieza en el cabezal divisor, y el cortador (5 mm de diámetro) en el cabezal de
la fresa. Se coloca el cortador a una distancia radial de 0.25 plg con respecto al
centro de la pieza.
Fig. 47 Cabezal divisor.
Fig. 46 Roscado.
Capítulo 4 – Proceso de Manufactura
49
Se procede a realizar el desbaste de una cara, ejecutando desbastes sucesivos
hasta obtener una profundidad de 0.170 plg. Se separa el cortador de la pieza,
para continuar con el desbaste de la siguiente cara. Con ayuda del cabezal
divisor se gira la pieza, haciendo girar seis vueltas la manivela del cabezal
divisor para colocar la pieza en la posición correcta, de esta manera se continúa
con el desbaste de la siguiente cara, así sucesivamente hasta completar las
seis caras de la cabeza hexagonal del perno.
Fig. 48 Maquinado de la cabeza hexagonal.
Por último se eliminan los filos de la cabeza generados durante el maquinado
con una lima.
Fig. 49 Prototipo terminado.
Capítulo 5 – Tratamiento Térmico
50
CAPÍTULO 5 - TRATAMIENTO TÉRMICO
5.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Es el conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo
condiciones controladas de temperatura, tiempo, velocidad, presión, etc.
El propósito es mejorar las propiedades mecánicas de un material,
especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.
Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina de un material sin
alterar su composición química otorgando características mecánicas al
material. Los principales tratamientos térmicos son:
TEMPLE: Aumenta la dureza y la resistencia del Acero. Se calienta a una
temperatura más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y
se enfría en un medio como agua, aceite.
REVENIDO: Sólo se aplica a Aceros previamente templados, disminuye
ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y
aumenta la tenacidad. Disminuye la dureza y resistencia de los Aceros
templados, se mejora la tenacidad.
RECOCIDO: Es un calentamiento hasta la temperatura de austenización
(800-925°C) seguido de un enfriamiento lento. Aumenta la elasticidad,
disminuye la dureza y facilita así el mecanizado. Se deja enfriar el
material a modo que su temperatura disminuya progresivamente.
NORMALIZADO: Su objetivo es dejar un material en estado normal,
ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del
Carbono. Se afina el grano de la estructura y se compensan
Capítulo 5 – Tratamiento Térmico
51
irregularidades producidas por deformaciones. El proceso consiste en
calentar a temperaturas entre 750 y 980° C.
5.2 TEMPLADO
Su propósito es aumentar la resistencia a la tracción, elevar el límite elástico y
la dureza del Acero.
Para ello, se lo lleva a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica
superior (entre 900-950 °C) y se luego se lo enfría rápidamente a mayor o
menor velocidad (según las características de la pieza) en un medio que puede
ser agua, aceite o una solución, a temperatura ambiente o más elevada.
Este rápido enfriamiento asegura que los racimos de cristales no tengan tiempo
de crecer de una manera organizada, con el resultando que los granos se
mantienen pequeños y con bordes más irregulares, lo que contribuye a su
cohesión y resistencia.
5.2.1 CONSIDERACIONES PARA EL TEMPLADO
Para realizar un temple a nuestro material y lograr que adopte las
características antes mencionadas, es necesario tomar en cuenta las siguientes
consideraciones, recomendadas por los distribuidores:
Precalentar: a 595-650°C (1100-1250°F).
Temple (austenización): a 830-860°C (1530-1580°F) por alrededor de
media hora por 1 pulgada de sección del material, más 15 minutos por
cada pulgada adicional.
Enfriamiento: Al aceite.
Capítulo 5 – Tratamiento Térmico
52
Revenir: 200-500°C (395-935°F). Debe llevarse a cabo inmediatamente
después del temple. Preferentemente dar doble revenido con un tiempo
de permanencia de 2 horas en cada revenido.
El revenido es un tratamiento complementario del temple, el fin de éste es variar
la dureza del material y su resistencia mecánica, reduce las tensiones internas
que se originan por el temple.
Por lo que las propiedades mecánicas del Acero TX10, con sus respectivos
tratamientos térmicos, son las siguientes:
Tabla 8 Propiedades mecánicas después del tratamiento térmico.
RESISTENCIA A
LA TENSIÓN (Kg/cm2)
PUNTO DE CEDENCIA (Kg/cm2)
% ELONGACIÓN
EN 50.8 mm.
REDUCCIÓN DE AREA
DUREZA BRINELL
Recocido (810ºC) 1"Ø
7580 4800 21 50 215
Normalizado (870ºC)
1"Ø 2"Ø 4"Ø
13030 12415 11305
8775 8035 7230
12 13 13
36 37 36
360 340 320
Templado (815ºC) y Revenido (540ºC)
1"Ø 2"Ø 4"Ø
12285 11940 11570
11660 11200 10200
14 16 15
46 55 53
350 340 330
Conclusiones
53
CONCLUSIONES
De acuerdo a los ensayos que se realizaron en este proyecto, se comprobó que
el material del cual están hechos los pernos que unen las medias masas tenían
un tratamiento térmico; temple, como se observó en la primer metalografía el
material era de tipo martensítico por lo cual tenía una gran dureza. Se sometió a
un recocido normalizado a 850° C durante 30 minutos, para reducir la dureza y
la resistencia del material y de esta manera poder observar la microestructura
normalizada del mismo. Enseguida, el resultado se comparó con otras
metalografías, de Aceros con distintos porcentajes de Carbono. Se presume
que el Acero del cual está fabricado el perno cuenta con un porcentaje medio
de Carbono, debido a que la metalografía obtenida era muy similar a la de un
Acero designación SAE1040 a 500 aumentos (500x), ya que la formación de
Perlita y Ferrita eran muy similares. Posteriormente se realizaron ensayos de
tipo mecánicos, tracción y dureza, esto con el fin de determinar las propiedades
mecánicas del material. El ensayo de tracción se efectuó de acuerdo a la norma
ASME E8, designada para probetas de de sección circular y se hizo en
proporción al material que teníamos, obtenido de pernos donados, esta prueba
determinó el tipo de material del cual se trataba, se pudo constatar que de
nuevo que el material tenía un porcentaje medio de Carbono, debido a que se
formaba una estrella en el lugar de la rotura, lo cual indicaba que era una rotura
de tipo dúctil, característico de materiales con grado medio de Carbono. Se
calcularon las tolerancias y ajustes del perno en relación al sistema agujero
base tomando en cuenta el ensamble de las medias masas que forman la
rueda, para lograr así la intercambiabilidad. Conforme a dichos cálculos se
modelo el elemento mecánico, para posteriormente realizar un análisis en
ANSYS V12® para la determinación de los esfuerzos máximos generados
debido a la presión de los neumáticos y para la validación del nuevo material.
La rosca que tiene el perno es de tipo UNJ y ésta es especial para elementos
que se encuentran en constante fatiga. El proceso de manufactura consiste en
Conclusiones
54
cortar las barras del material al tamaño necesario, las cuales, han sido
obtenidas mediante un rolado en caliente, con la finalidad de evitar posibles
dislocaciones, a continuación en un torno CNC se realizan las operaciones de
maquinado del diámetro que se necesita, así como el maquinado del vástago
del perno, la parte en donde se generará la cuerda y el chaflán, que permite que
centre al perno al momento de ensamblar. Posteriormente la parte que
conforma la cabeza es calentada mediante una bobina de inducción por debajo
de la temperatura de recristalización para poder forjar la cabeza del perno. La
cabeza se va deformando paulatinamente mediante un dado cerrado (forjado
sin rebaba o de precisión), hasta finalmente darle la forma requerida, luego la
cuerda es rolada en frio, mediante unos rodillos con la forma del perfil de la
cuerda, dándole mayor resistencia que si fuera maquinada. Y finalmente el
perno es sometido a un tratamiento térmico de temple, en donde, el material es
calentado a cierta temperatura durante un tiempo establecido, los cuales son
señalados por el fabricante, este tratamiento modifica la microestructura del
material y las propiedades mecánicas del mismo, le brinda mayor dureza y
resistencia al material.
Referencias
55
REFERENCIAS
[1] Introducción A La Metalurgia Física, Ed.Mc Graw Hill - 2da Edición, Sydney
H. Avner.
[2] Fundamentos De Manufactura Moderna, Ed. Prentice Hall -1ra Edición,
Mikell P. Groover.
[3] Science And Engineering Of Materials Solutions, Ed. International Thomson
Editors -3a Edición Donald R. Askeland.
[4] Prácticas De Laboratorio Sobre Resistencia De Materiales Ed. Mir, -1ra
Edición A.M. Afanásiev, V.A. Marien.
[5] Tratamientos Térmicos De Los Aceros, Ed. Dossat - 8ª Edición, José Apraiz
Barreiro.
[6] Fundamentos De La Ciencia E Ingeniería De Materiales, Ed.Mc.Graw Hill -
4ta Edición - William F. Smith & Javad Hashemi.
[7] ASM Metals Handbook Volume 9 - Metallography And Microstructures.
[8] Heat Treater's Guide Practices And Procedures For Irons And Steels.
[9] Manufactura, Ingeniería Y Tecnología, Ed. Pearson Education, 4ª Edición,
Sepore Kalpakjian.
[10] Elementos De Metalografía Y A De Acero Al Carbono, Ed. Andres Bello -1ª
Edición, R. L. Bernau.
Anexos
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ANEXOS
ANEXO I
Anexos
57
ANEXO II
Anexos
58
ANEXO III
Anexos
59
ANEXO IV
Anexos
60
ANEXO V
Apéndice A-Planos
61
APENDICE A-PLANOS
Apéndice A-Planos
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