mecánica 04

MECANICA

Objetivos:

• Capacitar al estudiante sobre los diferentes tipos de materiales, las técnicas y normas para su procedimiento para la construcción de dispositivos, equipos o elementos de máquinas.

• Comprender las propiedades mecánicas requeridas por los principales elementos mecánicos utilizados en la ingeniería biomédica.

Desarrollo de las Unidades Programáticas:

Técnicas de elaboración y procesamiento de materiales (2):

• Técnica de uniones.

• Normas para elaboración y procesamiento de materiales:

• Tipos de superficies.

• Tolerancias para los diferentes tipos de superficies.

CONTENIDO

Técnicas de elaboración y procesamiento de materiales

Técnica de Unión:En la manufactura de ensamble que requiera varias piezas o materiales diferentes casi siempre es necesario unirlos en algún punto del proceso.

Los métodos principales de unión de materiales que se usan en procesos de fabricación se clasifican en las siguientes categorías generales:

• Sujetadores mecánicos

• Enlace con adhesivos

• Soldadura

• Soldadura fuerte y soldadura con metal de aporte

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:

Sujetadores Mecánicos (I)Entre los sistemas y componentes de sujeción mecánica para unir materiales se incluyen sujetadores roscados, clavos y grapas, remachado, cosido y atado, chavetas y seguros, prensado, engarce y otros sistemas especiales.

Sujetadores roscados: se basan en el principio mecánico del plano inclinado para transmitir presión a las partes que se han de ensamblar y pueden ser tornillos, pernos y tuercas. El perno se diseña para trabajar en conjunción con una tuerca, el material que se unirá queda comprimido entre la tuerca y la cabeza del perno. Los pernos de tapa o tornillos de tapa tienen todo el vástago roscado y sirven para atornillar en hoyos terrajados. Los tornillos de máquina son similares a los pernos pero son de menor tamaño. Los tornillos para lámina unen materiales delgados.

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:

Sujetadores Roscados (II)Todos los sujetadores roscados pueden asegurarse con herramientas diversas como llaves y destornilladores.

• Ventajas: posibilidad de desensamble, amplia variedad de tamaños y tipos, sistema muy versátil.

• Desventajas: labor intensiva de ensamble, necesidad de almacenar gran cantidad de tipos y tamaños de sujetadores, fácil daño de las roscas, necesidad de perforaciones terrajadas o punzonadas.

Clavos y grapas: un clavo consiste en un alambre rígido con una cabeza en un extremo para empujarlo y una punta en el otro extremo parapenetrar el material, de naturaleza compresiva para retener el sujetador, que se va a unir. Una grapa es básicamente un clavo de dos puntas.

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Remaches: sistema de unión mecánica para materiales pesados y ligeros, son muy adecuados para soportar cargas dinámicas y no se aflojan al distorsionar el ensamble.

• Ventajas: alta resistencia con un sujetador de tamaño mínimo, capacidad para unir materiales introduciendo y fijando el sujetador sólo por un lado del ensamble.

• Desventajas: intenso trabajo de instalación, necesidad de hoyos pretaladrados, dificultad de desensamble.

Cosido, atado y broches: este sistema de unión se utiliza principalmente en la industria textil. Los broches mecánicos se usan frecuentemente para uniones temporales de telas, lienzos y piezas flexibles.

Tipos de remaches y sus aplicaciones

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Chavetas y seguros: sistema de unión mecánica que facilitan el desensamble, pero requiere maquinado de precisión de las partes. Las chavetas se usan para partes que se unen y desensamblan con frecuencia o para retener ensambles de partes de uso periódico.

Prensado: con este método las dimensiones de la parte de acoplamiento se traslapan ligeramente y las piezas se fuerzan a unirse bajo la acción de presión mecánica. También existen los ajustes por contracción y expansión en los que las partes de un ensamble se unen por calentamiento o por contracción de una en la otra, se ajustan las partes y luego regresan a la temperatura normal.

Engarce: con este método, para unir las partes se aplica fuerza mecánica para comprimir o expandir una pieza de material contra otra y se requiere una ranura u otra característica en donde la parte de acoplamiento se pueda afianzar.

Técnicas de unión con chavetas y engarce


Técnica de Unión:Engarce - Costura: este método relacionado con el engarce se usa en la industria de la lámina metálica para el cierre de ductos con costura de unión (acanalado, traslapado, engargolado, etc.) y otras manufacturas.

Sistemas especiales de sujeción: este método de unión sirve para la sujeción ligera y temporal de las partes de ensamble. Las barbasplásticas (cierre magnético) constituyen un ejemplo y consiste en unas almohadillas de barbas plásticas que se diseña para sostener materiales.

Unión de láminas con diversos tipos de costura

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Unión con Adhesivos: este método de unión sirve para la sujeción con adhesivos de metales, plásticos y materiales compuestos.

• Ventajas: unión de materiales disímiles, se elimina preparación mecánica, no quedan espacios libres en la junta (mejor resistencia), resistencia a la corrosión, no están sujetos a distorsiones mecánicas o térmicas como taladrado o soldadura.

• Desventajas: preparación de junta específica, costo del material adhesivo, tiempo de secado largo, resistencia mecánica depende del tipo de carga.

Los adhesivos se dividen en dos grupos principales:

! Naturales: gomas de origen vegetal, animal, caseína, silicato de sodio

! Resinas plásticas: termoplásticos (acetato, acrílico, cianoacrilato, vinilo) y termofijos (poliésteres, epóxicos, fenólicos, silicones y ureas).

Juntas unidas con adhesivos

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Unión con Soldadura: este método de unión consiste en calentar a los materiales a unir hasta la temperatura de fusión, luego se unen y se les deja enfriar. Puede añadirse un material de aporte del mismo tipo que el metal base para rellenar la junta de la soldadura durante el proceso.

Las soldaduras industriales más comunes son la soldadura oxiacetilénica y la soldadura eléctrica.

•Soldadura oxiacetilénica: en este proceso se usa una flama de acetileno en combinación con oxígeno para calentar y fusionar los materiales a soldar. Este proceso se conoce como soldadura autógena y se usa para reparar juntas soldadas en aplicaciones medias y menores. Requiere una técnica considerable del operador y los combustibles son caros.

• Soldadura eléctrica: con este método se convierte el flujo de corriente eléctrica en calor hasta lograr la temperatura de fusión de los materiales a soldar.

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Unión con Adhesivos: este método de unión sirve para la sujeción con adhesivos de metales, plásticos y materiales compuestos.

• Ventajas: unión de materiales disímiles, se elimina preparación mecánica, no quedan espacios libres en la junta (mejor resistencia), resistencia a la corrosión, no están sujetos a distorsiones mecánicas o térmicas como taladrado o soldadura.

• Desventajas: preparación de junta específica, costo del material adhesivo, tiempo de secado largo, resistencia mecánica depende del tipo de carga.

Los adhesivos se dividen en dos grupos principales:

! Naturales: gomas de origen vegetal, animal, caseína, silicato de sodio

! Resinas plásticas: termoplásticos (acetato, acrílico, cianoacrilato, vinilo) y termofijos (poliésteres, epóxicos, fenólicos, silicones y ureas).

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Soldadura eléctrica:

Se puede utilizar para materiales que van desde láminas gruesas,estructuras y placas hasta láminas muy delgadas. El sistema consiste en una fuente de poder capaz de sostener grandes corrientes a bajastensiones y cables para la pieza de trabajo y el electrodo. Las soldaduras eléctricas más comunes son la soldadura por arco eléctrico con electrodo de aporte, por arco eléctrico en atmósfera de gas inerte, por resistencia eléctrica, de arco sumergido y soldadura de pernos.

! Arco eléctrico con electrodo de aporte: la corriente fluye a través del cableado de cobre desde la fuente de poder hasta el portaelectrodo que sostiene en la mano el operador. El electrodo está recubierto con material fundente que se quema durante la soldadura y proporciona una acción fundente o limpieza en la zona de soldadura protegiéndola contra el oxigeno y el nitrógeno del aire. El núcleo actúa como metal de aporte.

Sistema de soldadura por arco eléctrico


! Arco eléctrico en atmósfera de gas inerte: con esta técnica la zona completa de soldadura está rodeada de un gas inerte (argón, helio, dióxido de carbono o mezclas de estos). El gas inerte desplaza al aire del área de la soldadura y el proceso se realiza en un ambiente descontaminado. Las principales soldaduras con gas inerte son:

! Electrodo metálico y gas inerte: apto para la producción de soldaduras en serie de metales delgados no ferrosos (Al, acero, acero inoxidable).

! Electrodo de tungsteno y gas inerte: consiste en una fuente de poder, cables, soplete y un pedal para controlar el flujo de gas inerte y la corriente eléctrica. Útil para aplicación de pequeñas soldaduras de calidad superior en metales de hasta milésimas (cm) de espesor.

Sistema de soldadura con electrodo metálico y gas inerte


! Soldadura por resistencia: las piezas se sujetan entre dos electrodos y el flujo de corriente hace que el metal (resistencia) se caliente hasta la temperatura de fusión y la presión mecánica de los electrodos hace que se unan los materiales. El proceso es casi instantáneo, es apto para la producción en serie (automatizable), puede aplicarse a costuras y juntas largas utilizando electrodos de rodillo (manufactura de ductos y tubería).

! Soldadura por arco sumergido: consiste en los mecanismos de alimentación del electrodo de alambre, del tanque de fundente y de la fuente de poder. El tanque de fundente está presurizado con aire para la alimentación adecuada del fundente. Apto para soldadura automática de grandes estructuras y tuberías, pero se limita a soldar en posición plana.

! Soldadura por pernos: es un método para unir un sujetador roscado a una superficie plana a través del arco eléctrico entre el perno y la base.

Soldadura por resistencia eléctrica (soldadura de puntos)


Técnica de Unión:! Otros procesos comunes de soldadura:

" Aluminotermia: las piezas se sumergen en un baño de metal fundido

" Forja: las piezas se calientan en fragua y se aplica presión (martillo)

" Haz electrónico: intenso haz de electrones suelda al vacío (precisión)

" Laser: intenso haz de luz coherente suelda con precisión(mat., tejidos)

" Ultrasónica: soldadura es con energía ultrasónica y presión mecánica

" Por inducción: con campo electromagnético de oscilación rápida(calor)

" Arco de plasma: el calor proviene de la ionización de un gas por arco eléctrico (creación de carga eléctrica no equilibrada), es rápido y limpio

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Unión con Soldadura fuerte y con metal de aporte: con este método de unión el material de aporte no forma parte del material en la soldadura, la unión es puramente mecánica y el metal de aporte aprisiona al metal base únicamente por atracción mecánica. La soldadura blanda y fuerte no producen una junta mecánica tan fuerte como la soldadura por fusión.

# Las soldaduras blandas se realizan con metales no ferrosos (Pb, Sn) con baja temperatura de fusión (< 430 ºC).

# Las soldaduras duras se hacen con aleaciones Ag-Sn y son más resistentes (mecánico) y costosos, temperatura de fusión (> 430 ºC).

# Las soldaduras fuertes se realizan con metales de aporte de temperaturas de fusión más altas. La fuente de calor es el soplete, la resistencia mecánica es superior que la soldadura blanda y dura.

Técnicas de elaboración y procesamiento de materialesTécnica de Unión:Soldadura de plásticos: los plásticos pueden soldarse por medio de calor, ultrasonido y disolventes.

# La soldadura por calor puede realizarse con una herramienta caliente, el material plástico funde y fluye uniéndose conforme se enfría.

# El ultrasonido se utiliza para generar calor a través de vibraciones ultrasónicas. El proceso es similar a la soldadura por ultrasonido de metales.

# La soldadura con disolventes consiste en hacer pasar la superficie de plástico de la junta al estado líquido mediante la aplicación dedisolventes apropiados. Después de la unión de las partes los disolventes se evaporan y la junta queda homogénea con el material base.

Soldadura de plásticos con ultrasonido


Normas para elaboración y procesamiento de superficies:Las superficies sólidas tienen siempre un grado de aspereza concomitante con su proceso de terminado o acabado (fundición, forjado, maquinado, etc.). El grado de tersura o aspereza tendrá un efecto tanto en el tipo como en el grado de desgaste que experimentará.

Aun las superficies lisas tienen irregularidades microscópicas. Los “picos montañosos” microscópicos de la superficie se denominan asperezas. Las asperezas se pueden medir mediante un perfilómetro que registra las ondulaciones (resolución 0.25 μm) a través de una punta dura (diamante) y define así el perfil de la superficie.

Del perfil de la superficie se puede calcular varias medidas estadísticas que son sus parámetros de clasificación. La norma ISO define por lo menos 19 de dichos parámetros.

Calidad de superficies acorde a Normas ISO-DIN


Normas para elaboración y procesamiento de superficies:A fin de diferenciar los perfiles de superficie se calculan los parámetros estadísticos. Los parámetros de uso más común son:

# Valor de aspereza de media aritmética Ra: es el valor del promedio aritmético del perfil de asperezas filtrado, determinado de desviaciones en razón con la línea central dentro de la longitud de evaluación lm (DIN 4768, DIN 4762, ISO 4287/1).

# Valor de aspereza de raíz cuadrada media Rq: es el valor RMS (raíz cuadrada media) obtenido de las desviaciones del perfil de asperezas filtrado a lo largo de la longitud de evaluación lm (DIN 4762, ISO 4287/1).

# Oblicuidad del perfil Sk: es una medida de la forma o simetría de la curva de distribución de amplitud, obtenida del perfil de asperezas filtrado (DIN 4762, ISO 4287/1).


Normas para elaboración y procesamiento de superficies:A fin de diferenciar las superficies con valores Ra o Rq idénticos se utiliza el parámetro oblicuidad Sk. Un valor negativo de Sk indica que la superficie tiene una predominancia de valles y un Sk positivo define una predominancia de picos o crestas. Otros parámetros utilizados son:

# Altura máxima pico a valle Rt: define la mayor dimensión de pico a valle en la longitud de la muestra lm (DIN 4762).

# Pico único más alto por encima de la línea media Rp: es la mayor altura de pico por encima de la línea media (DIN4762, ISO 4287/1).

# Valor de altura media de picos por encima de la línea media Rpm: es el promedio de las cinco alturas más elevadas (DIN 4762).

# Profundidad de la Ondulación Wt: es la máxima altura pico a valle de un perfil de ondulación dentro de la longitud lm (DIN 4774).

Definición DIN e ISO de asperezas superficiales


Tipos de superficies:La caracterización del estado final de una superficie técnica se realiza conforme a la norma DIN-ISO 1302 a través de símbolos de calidad de superficie concomitante con un grado de aspereza que van de N1 a N12.

A cada grado de aspereza se le asigna un valor de aspereza Ra en micrómetros (μm) que va de 0,025 μm para N1 hasta 50 μm para N12. El suministro de informaciones adicionales referentes a orientaciones de las estrias (aspereza) y técnica de procesamiento son posibles y pueden definirse con estos exactamente el tipo de superficie.

Los símbolos e inscripciones de la superficie deben posicionarse en el dibujo de tal manera que pueda leerse desde abajo o desde la derecha. Solo en casos excepcionales se puede diferir de esta regla acorde a la norma DIN-ISO 1302.

Símbolos de superficies acorde a la norma DIN-ISO 1302




Tolerancias para los tipos de superficies:Para la manufactura de una determinada pieza o elemento de máquina es necesario la definición de sus dimensiones, forma y perfil de la superficie. De esto resulta los cuatro tipos de tolerancias que son:

# Tolerancia dimensionales: los limites de las desviaciones se basa en la dimensión de la medida y en el propósito de utilización de la pieza. La norma ISO define 20 niveles de tolerancia (IT01 hasta IT18) que se denominan también tolerancias básicas o calidad ISO. Las aplicaciones de los niveles de tolerancia son:

IT 01 hasta IT 4: testigos, instrumentos de medición de precisión, etc.

IT 5 hasta IT 11: pasos en la manufactura de la mecánica de precisión

IT 12 hasta IT 18: conformación sin maquinado (forjado, extrusión, etc.).


Tolerancias para los tipos de superficies:# Tolerancia de posición: acorde a la norma DIN 7184 T1 son las tolerancias para la dirección, el lugar y el funcionamiento (Ej.: paralelidad , excentricidad, concentricidad, etc.).

# Tolerancia de forma: acorde a la norma DIN 7184 T1 es la discrepancia de forma de la pieza de su forma geométrica ideal (Ej.: cuadratura, perpendicularidad, rectitud, planaridad, circularidad y angularidad).

# Tolerancia de asperezas: acorde a la norma DIN 4760 es la discrepancia del perfil de superficie de la pieza de su perfil ideal (Ej.: acabado superficial, ondulaciones, estriadas, orientaciones, etc.).

Tamaño de áreas de tolerancia para la calidad ISO 01-18

1. Matek, W; Muhs, D, Wittel H. Roloff / Matek Maschinenelemente. Friedrich Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden Germany, 1984. ISBN 3-528-34028-2.

2. Norton, RL. Diseño de Máquinas. Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 199. ISBN 970-17-0257-3.

3. Neely, JE; Kibbe, RR. Materiales y procesos de Manufactura. Editorial LIMUSA, México, 1992. ISBN 968-18-4381-9

Bibliografía

3. Cálculo y diseño de uniones y elementos de mecánica:

• Uniones con tornillos.

• Uniones con remaches.

• Uniones con pernos.

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