1. Unidades estndar empleadas en este libro A lo largo de este
libro de texto se utilizan tanto las unidades del Sistema
Internacional (SI, mtrico), como las del Sistema Tradicional de
Estados Unidos (USCS) en ecuaciones y tablas. Las unidades mtricas
se consideran como unidades primarias, y las unidades del USCS se
dan entre parntesis. Prefijos para las unidades del SI Prefijo
Smbolo Multiplicador Ejemplos de unidades (y sus smbolos) nano- n
109 nanmetro (nm) micro- m 106 micrmetro (m) mili- m 103 milmetro
(mm) centi- c 102 centmetro (cm) kilo- k 103 kilmetro (km) mega- M
106 megaPascal (MPa) giga- G 109 gigaPascal (GPa) Tabla de
equivalencias entre las unidades del SI y las del Sistema
Tradicional de Estados Unidos (USCS) Variable Unidades del SI
Unidades del USCS Equivalencias Longitud rea Volumen Masa Densidad
Velocidad Aceleracin Fuerza Torque Presin Carga Energa, trabajo
Energa trmica Potencia Calor especfico Conductividad trmica
Expansin trmica Viscosidad metro (m) m2 , mm2 m3 , mm3 kilogramo
(kg) kg/m3 m/min m/s m/s2 Newton (N) N-m Pascal (Pa) Pascal (Pa)
Joule (J) Joule (J) Watt (W) J/Kg-C J/s-mm-C (mm/mm)/C Pa-s pulgada
(in) pie (ft) yarda milla micro-pulgada (m-in) in2 , ft3 in3 , ft3
libra (lb) tonelada lb/in3 lb/ft3 ft/min in/min ft/seg2 libra (lb)
ft-lb, in-lb lb/in2 lb/in2 ft-lb, in-lb Unidad trmica britnica
(Btu) Caballo de fuerza (hp) Btu/lb-F Btu/hr-in-F (in/in)/F
lb-seg/in2 1.0 in = 25.4 mm = 0.0254 m 1.0 ft = 12.0 in = 0.3048 m
= 304.8 mm 1.0 yarda = 3.0 ft = 0.9144 m = 914.4 mm 1.0 milla = 5
280 ft = 1 609.34 m = 1.60934 km 1.0 -in = 1.0 106 in = 25.4 103 mm
1.0 in2 = 645.16 mm2 1.0 ft2 = 144 in2 = 92.90 103 m2 1.0 in3 = 16
387 mm3 1.0 ft2 = 1 728 in3 = 2.8317 102 m3 1.0 lb = 0.4536 kg 1.0
ton (corta) = 2 000 lb = 907.2 kg 1.0 lb/in3 = 27.68 103 kg/m3 1.0
lb/ft3 = 16.0184 kg/m3 1.0 ft/min = 0.3048 m/min = 5.08 103 m/s 1.0
in/min = 25.4 mm/min = 0.42333 mm/s 1.0 ft/seg = 0.3048 m/s2 1.0 lb
= 4.4482 N 1.0 ft-lb = 12.0 in-lb = 1.356 N-m 1.0 in-lb = 0.113 N-m
1.0 lb/in2 = 6 895 N/m2 = 6 895 Pa 1.0 lb/in2 = 6.895 103 N/mm2 =
6.895 103 MPa 1.0 ft-lb = 1.365 N-m = 1.365 J 1.0 in-lb = 0.113 N-m
= 0.113 J 1.0 Btu = 1 055 J 1.0 hp = 33 000 ft-lb/min = 745.7 J/s =
745.7 W 1.0 ft-lb/min = 2.2597 102 J/s = 2.2597 102 W 1.0 Btu/lb -
F = 1.0 caloras/g-C = 4 187 J/kg-C 1.0 Btu/hr-in - F = 2.077 102
J/s-mm-C 1.0 (in/in)/ F = 1.8 (mm/mm)/C 1.0 lb-seg/in2 = 6 895 Pa-s
= 6 895 N-s/m2 Conversin entre las unidades del USCS y el SI Para
convertir del sistema USCS al SI: Para convertir el valor de una
variable que est en unidades de USCS a su equivalente en unidades
del SI, multiplique el valor que desea convertir por el valor que
aparece al lado derecho de la equivalencia correspondiente en la
Tabla de equivalencias. Ejemplo: Convierta una longitud L = 3.25 a
su valor equivalente en milmetros. Solucin: La equivalencia que le
corresponde es: 1.0 in = 25.4 mm L = 3.25 in (25.4 mm/in) = 82.55
mm Para convertir unidades del SI al sistema USCS: Para convertir
el valor de una variable de unidades del SI a su equivalente en
unidades del USCS, divida el valor que desea convertir entre el
valor asentado en el lado derecho de la equivalencia que le
corresponde en la Tabla de equivalencias. Ejemplo: Convierta un rea
A = 1 000 mm2 a su equivalente en pulgadas cuadradas. Solucin: La
equivalencia que le corresponde es: 1.0 in2 = 645.16 mm2 A = 1 000
mm2 /(645.16 mm2 /in2 ) = 1.55 in2
2. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA
3. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Materiales, procesos y
sistemas Tercera edicin Mikell P. Groover Profesor de ingeniera
industrial y de sistemas Lehigh University Revisin tcnica: Ing.
Antonio Barrientos Morales Acadmico de Ingeniera Mecnica
Universidad Iberoamericana, Ciudad de Mxico Ing. Javier Len Crdenas
Jefe de Ingeniera Mecnica Universidad La Salle, campus Ciudad de
Mxico Ing. Rosendo Reyes Rosales Coordinador de Talleres y
Laboratorios de Ingeniera Universidad La Salle, campus Ciudad de
Mxico MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID
NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN
MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY
TORONTO
4. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos
Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayn Editor sponsor:
Pablo E. Roig Vzquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas
Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Carlos
Roberto Cordero Pedraza Javier Enrquez Brito Jess Elmer Murrieta
Murrieta Diseo de portada: Crculodiseo FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA
MODERNA Tercera edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de
esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del
editor. DERECHOS RESERVADOS 2007 respecto a la tercera edicin en
espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A
Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa
Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia
Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.
F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana,
Reg. Nm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6240-1 ISBN-10: 970-10-6240-X
Traducido de la tercera edicin en ingls de la obra FUNDAMENTALS OF
MODERN MANUFACTURING. Materials, Processes and Systems. Copyright
2007 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. ISBN-10:
0-471-74485-9 ISBN-13: 978-0-471-74485-6 1234567890 0986543217
Impreso en Mxico Printed in Mexico
5. PREFACIO Fundamentos de manufactura moderna: materiales,
procesos y sistemas est diseado para un primer curso, o una serie
de dos, de la materia de manufactura en los primeros aos de los
planes de estudio de las carreras de ingeniera mecnica,industrial y
de manufactura. Dada su cobertura a los materiales de la ingeniera,
tambin es apropiado para los cursos de ciencia e ingeniera de
materiales que hacen nfasis en el procesamiento de materiales. Por
ltimo, es apropiado para programas de tecnologa relacionados con
las especialidades mencionadas de la ingeniera. La mayor parte del
contenido del libro se relaciona con los procesos de manufactura
(alrededor de 65% del texto), pero tambin da cobertura signifi-
cativa a los materiales y sistemas de produccin de la ingeniera.
Los materiales, procesos y sistemas son los fundamentos bsicos con
los que se estructura la manufactura moderna, y en el libro se
estudian esos tres grandes temas. ENFOQUE El objetivo del autor es
tratar a la manufactura con un enfoque que es ms moderno y
cuantitativo que el de los libros de manufactura de otros autores.
La afirmacin de que es moderno se basa en que 1) cubre en forma ms
balanceada los materiales bsicos de la ingeniera (metales,
cermicas, polmeros y materiales compuestos); 2) incluye procesos de
manufactura desarrollados recientemente, adems de los tradicionales
que se han emplea- do y perfeccionado durante muchos aos, y 3) su
cobertura ms completa de tecnologas de manufactura electrnica. Los
libros de texto de otros autores tienden a hacer nfasis en los
metales y su procesamiento, sin tomar mucho en cuenta los dems
materiales de uso en la ingeniera cuyas aplicaciones y mtodos de
aprovechamiento han crecido en forma sig- nificativa en las ltimas
dcadas. Por ejemplo, el volumen de polmeros que se comercian en el
mundo de hoy, excede el de los metales procesados. Asimismo, otros
libros cubren mnimamente la manufactura electrnica y sin embargo,
la importancia comercial de los productos electrnicos y sus
industrias asociadas se ha incrementado de manera sustancial
durante las dcadas ms recientes. La afirmacin de que el libro es ms
cuantitativo que otros libros de texto de ma- nufactura se basa en
su nfasis en la ciencia de la manufactura y el gran uso que hace de
ecuaciones y problemas cuantitativos (al final de cada captulo). En
el caso de ciertos procesos, fue el primer libro de procesos de
manufactura que les dio un tratamiento cuan- titativo de ingeniera.
LO NUEVO EN ESTA EDICIN Esta tercera edicin es una versin
actualizada de la segunda, con un captulo nuevo sobre procesos de
fabricacin con nanotecnologa, y varias secciones actualizadas. El
autor trata de ser exhaustivo en el contenido del libro, sin dejar
que su tamao sea excesivo. Entre los elementos clave de la edicin
nueva se incluyen los siguientes: Un captulo nuevo sobre los
procesos de fabricacin con nanotecnologa. Problemas de tarea nuevos
y revisados, que en total suman 565. Casi todos requieren de un
anlisis cuantitativo.
6. Preguntas de repaso nuevas y revisadas, as como
cuestionarios de opcin mltiple en todos los captulos. Hay ms de 740
preguntas de repaso al final de los captulos y casi 500 de opcin
mltiple. Estas ltimas se han reformulado para que sean ms
accesibles para el estudiante. En el libro se incluye un DVD para
los profesores que as lo soliciten, que muestra videos de las
acciones de muchos de los procesos de manufactura. Los captulos se
han actualizado para que incluyan referencias a ellos, y se han
aadido preguntas al final de cada captulo relacionadas con los
videos. Otros elementos clave 1. Secciones acerca de la Gua del
procesamiento en cada uno de los cuatro captulos sobre los
materiales de ingeniera. 2. Secciones llamadas Consideraciones
sobre el diseo del producto en muchos de los ca- ptulos que tratan
procesos de manufactura. 3. Hay Notas histricas en muchas de las
tecnologas que se estudian. 4. Como en la segunda edicin, en todo
el libro se emplea el Sistema Internacional de Unidades (mtrico),
que ms se usa en ingeniera, pero tambin se utiliza el Sistema de
Unidades Tradicionales de Estados Unidos. MATERIALES DE APOYO PARA
LOS MAESTROS Esta obra cuenta con interesantes complementos que
fortalecen los procesos de ensean- za-aprendizaje, as como la
evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que
adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y
conocer la poltica de entrega de estos materiales, contacte a su
representante McGraw-Hill o enve un correo electrnico a
[email protected] vi Prefacio
7. AGRADECIMIENTOS Quisiera expresar mi agradecimiento a las
personas siguientes, que fungieron como reviso- res tcnicos de
conjuntos individuales de los captulos de la primera edicin:
Iftikhar Ah- mad (George Mason University), J. T. Black (Auburn
University), David Bourell (Univer- sity of Texas en Austin), Paul
Cotnoir (Worcester Polytechnic Institute), Robert E. Eppich
(American Foundrymans Society), Osama Eyeda (Virginia Polytechnic
Institute and State University), Wolter Fabricky (Virginia
Polytechnic Institute and State University), Keith Gardiner (Lehigh
University), R. Heikes (Georgia Institute of Technology), Jay R.
Geddes (San Jose State University), Ralph Jaccodine (Lehigh
University), Steven Liang (Georgia Institute of Technology), Harlan
MacDowell (Michigan State University), Joe Mize (Okla- homa State
University), Colin Moodie (Purdue University), Michael Philpott
(University of Illinois en Champaign-Urbana),Corrado Poli
(University of Massachusetts enAmherst), Chell Roberts (Arizona
State University), Anil Saigal (Tufts University), G. Sathyanara-
yanan (Lehigh University), Malur Srinivasan (Texas A&M
University), A. Brent Strong (Brigham Young University),Yonglai
Tian (George Mason University), Gregory L.Tonkay (Lehigh
University), Chester Van Tyne (Colorado School of Mines), Robert
Voigt (Penn- sylvania State University) y Charles White (GMI
Engineering and Management Institute). Por sus revisiones valiosas
de ciertos captulos de la segunda edicin, agradezco a John T. Berry
(Mississippi State University), Rajiv Shivpuri (Ohio State
University), James B. Taylor (North Carolina State University).
Joel Troxler (Montana State University) y Ampere A.Tseng (Arizona
State University). Por sus consejos y estmulos provechosos para la
tercera edicin, doy gracias a varios de mis colegas en Lehigh,
entre quienes se encuentran John Coulter, Keith Gardiner, An- drew
Herzing, Wojciech Misiolek, Nicholas Odrey, Gregory Tonkay y Marvin
White. En especial agradezco a Andrew Herzing del Departamento de
Ciencia e Ingeniera de Ma- teriales, de Lehigh, por la revisin que
hizo del captulo nuevo sobre nanofabricacin, as como a Greg Tonkay,
de mi propio departamento, por desarrollar muchos de los problemas
y preguntas nuevas y actualizadas en esta nueva edicin. Adems, es
apropiado dar crdito a todos los colegas que participaron con sus
conse- jos en la preparacin de esta tercera edicin. Las preguntas o
comentarios individuales se pueden dirigir personalmente al autor,
en la direccin [email protected]
8. ACERCA DEL AUTOR Mikell P. Groover es profesor de Ingeniera
Industrial y de Sistemas en Lehigh Universi- ty, donde tambin funge
como Director del Laboratorio de Tecnologa de Manufactura, George
E. Kane y es miembro del cuerpo docente del Programa de Ingeniera
de Sistemas de Manufactura. Obtuvo grados de B.A. en Ciencias y
Artes (1961), B.S. en Ingeniera Mecnica (1962), M.S. en Ingeniera
Industrial (1966) y Ph. D. (1969), todos en Lehigh. Es Ingeniero
Profesional Registrado en Pennsylvania. Su experiencia industrial
incluye varios aos como ingeniero de manufactura en Eastman Kodak
Company. Desde que ingres a Lehigh ha efectuado trabajos de
consultora, investigacin y proyectos para varias compa- as
industriales. Sus reas de investigacin y enseanza incluyen procesos
de manufactura, sistemas de produccin, automatizacin, manejo de
materiales, planeacin de instalaciones y sis- temas de trabajo. Ha
obtenido varios premios por su enseanza en Lehigh University, as
como el Albert G. Holzman Outstanding Educator Award, del Institute
of Industrial Engineers (1965) y el SME Education Award, de la
Society of Manufacturing Engineers (2001). Entre sus publicaciones
estn 75 artculos tcnicos y siete libros (que se mencionan ms
adelante). Sus textos se emplean en todo el mundo y han sido
traducidos al francs, alemn, espaol, portugus, ruso, japons,
coreano y chino. La primera edicin del texto presente, Fundamentals
of Modern Manufacturing, recibi el IIE Joint Publishers Award
(1996) y el M. Eugene Merchant Manufacturing Textbook Award, de la
Society of Manu- facturing Engineers (1996). El Dr. Groover es
miembro del Institute of Industrial Engineers, American Society of
Mechanical Engineers (ASME),la Society of Manufacturing Engineers
(SME),el North American Manufacturing Research Institute (NAMRI) y
ASM International. Es miembro del IIE (1987) y del SME (1996).
OTROS LIBROS DEL AUTOR Automation, Production Systems, and
Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall. 1980. CAD/CAM:
Computer-Aided Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1984 (en
colabo- racin con E.W. Zimmers, Jr.). Industrial Robotics:
Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill Book
Company, 1986 (en colaboracin con M.Weiss, R. Nagel y N. Odrey).
Automation, Production Systems, and Computer Integrated
Manufacturing. Prentice Hall, 1987. Fundamentals of Modern
Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, publicado
originalmente por Prentice Hall en 1996, y despus por John Wiley
& Sons, Inc, en 1999. Automation, Production Systems, and
Computer Integrated Manufacturing. Segunda edicin, Prentice Hall,
2001. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes,
and Systems. Segunda edicin, John Wiley & Sons, Inc.,
2002.
9. CONTENIDO 1 INTRODUCCIN Y PANORAMA DE LA MANUFACTURA 1 1.1
Qu es la manufactura? 2 1.2 Los materiales en la manufactura 8 1.3
Procesos de manufactura 10 1.4 Sistemas de produccin 17 1.5
Organizacin del libro 20 Parte I Propiedades de los materiales y
atributos del producto 23 2 LA NATURALEZA DE LOS MATERIALES 23 2.1
Estructura atmica y los elementos 23 2.2 Enlaces entre tomos y
molculas 26 2.3 Estructuras cristalinas 28 2.4 Estructuras no
cristalinas (amorfas) 34 2.5 Materiales de ingeniera 35 3
PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES 38 3.1 Relaciones
esfuerzo-deformacin 39 3.2 Dureza 51 3.3 Efecto de la temperatura
sobre las propiedades 55 3.4 Propiedades de los fluidos 57 3.5
Comportamiento viscoelstico de los polmeros 60 4 PROPIEDADES FSICAS
DE LOS MATERIALES 67 4.1 Propiedades volumtricas y de fusin 68 4.2
Propiedades trmicas 70 4.3 Difusin de masa 72 4.4 Propiedades
elctricas 74 4.5 Procesos electroqumicos 75 5 DIMENSIONES,
TOLERANCIAS Y SUPERFICIES 79 5.1 Dimensiones, tolerancias y
atributos relacionados 80 5.2 Superficies 81 5.3 Efecto de los
procesos de manufactura 87 Parte II Materiales de la ingeniera 90 6
Metales 90 6.1 Aleaciones y diagramas de fase 91 6.2 Metales
ferrosos 96 6.3 Metales no ferrosos 111 6.4 Superaleaciones 122 6.5
Gua para el procesamiento de metales 123 7 CERMICOS 127 7.1
Estructura y propiedades de los cermicos 129 7.2 Cermicos
tradicionales 131 7.3 Nuevos materiales cermicos 133 7.4 Vidrio 136
7.5 Algunos elementos importantes relacionados con los cermicos 139
7.6 Gua para el procesamiento de los materiales cermicos 142 8
POLMEROS 144 8.1 Fundamentos de la ciencia y tecnologa de los
polmeros 147 8.2 Polmeros termoplsticos 156 8.3 Polmeros termofijos
163 8.4 Elastmeros 167 8.5 Gua para el procesamiento de polmeros
174 9 MATERIALES COMPUESTOS 176 9.1 Tecnologa y clasificacin de los
materiales compuestos 177 9.2 Compuestos de matriz metlica 185 9.3
Compuestos de matriz cermica 188 94 Compuestos de matriz de polmero
188 9.5 Gua para el procesamiento de los materiales compuestos 191
Parte III Procesos de solidificacin 194 10 FUNDAMENTOS DE LA
FUNDICIN DE METALES 194 10.1 Panorama de la tecnologa de fundicin
197 10.2 Calentamiento y vertido 199 10.3 Solidificacin y
enfriamiento 203 11 PROCESOS DE FUNDICIN DE METALES 214 11.1
Fundicin en arena 215 11.2 Otros procesos de fundicin con moldes
desechables 220 11.3 Procesos de fundicin con moldes permanentes
226 11.4 La prctica de la fundicin 234 11.5 Calidad del fundido
238
10. x Contenido 11.6 Los metales para fundicin 240 11.7
Consideraciones sobre el diseo del producto 242 12 TRABAJO DEL
VIDRIO 247 12.1 Preparacin y fundicin de las materias primas 247
12.2 Los procesos de conformacin en el trabajo del vidrio 248 12.3
Tratamiento trmico y acabado 254 12.4 Consideraciones sobre el
diseo del producto 255 13 PROCESOS DE CONFORMADO PARA PLSTICOS 257
13.1 Propiedades de los polmeros fundidos 259 13.2 Extrusin 261
13.3 Produccin de hojas y pelcula 271 13.4 Produccin de fibras y
filamentos (hilado o hilandera) 273 13.5 Procesos de recubrimiento
275 13.6 Moldeo por inyeccin 275 13.7 Moldeo por compresin y
transferencia 286 13.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 288
13.9 Termoformado 293 13.10 Fundicin 297 13.11 Procesamiento y
formado de espuma de polmero 298 13.12 Consideraciones sobre el
diseo del producto 300 14 TECNOLOGA DE PROCESAMIENTO DEL CAUCHO
(HULE) 307 14.1 Procesamiento y formado del caucho 307 14.2
Manufactura de llantas y otros productos de caucho 313 14.3
Consideraciones sobre el diseo del producto 316 15 PROCESOS DE
FORMADO PARA MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMRICA 319 15.1
Materias primas para materiales compuestos con matriz polimrica
(PMC) 321 15.2 Procesos con molde abierto 324 15.3 Procesos con
molde cerrado 327 15.4 Bobinado de filamentos 330 15.5 Procesos de
pultrusin 332 15.6 Otros procesos de formado para PMC 333 Parte IV
Procesamiento de partculas para metales y cermicos 337 16
METALURGIA DE POLVOS 337 16.1 Caractersticas de los polvos en
ingeniera 340 16.2 Produccin de polvos metlicos 343 16.3 Prensado
convencional y sinterizado 345 16.4 Alternativas de prensado y
tcnicas de sinterizado 351 16.5 Materiales y productos para
metalurgia de polvos 354 16.6 Consideraciones de diseo en
metalurgia de polvos 355 17 PROCESAMIENTO DE CERMICAS Y CERMETS 362
17.1 Procesamiento de cermicas tradicionales 363 17.2 Procesamiento
de cermicas nuevas 370 17.3 Procesamiento de cermets 373 17.4
Consideraciones para el diseo de productos 375 Parte V Formado de
metal y trabajo de lminas metlicas 378 18 FUNDAMENTOS DEL FORMADO
DE METALES 378 18.1 Panorama del formado de metales 378 18.2
Comportamiento del material en el formado de metales 381 18.3
Temperatura en el formado de metales 382 18.4 Sensibilidad a la
velocidad de deformacin 384 18.5 Friccin y lubricacin en el formado
de metales 386 19 PROCESOS DE DEFORMACIN VOLUMTRICA EN EL TRABAJO
DE METALES 390 19.1 Laminado 391 19.2 Otros procesos de deformacin
relacionados con el laminado 398 19.3 Forjado 400 19.4 Otros
procesos de deformacin relacionados con el forjado 412 19.5
Extrusin 416 19.6 Estirado de alambres y barras 427 20 TRABAJADO
METLICO DE LMINAS 440 20.1 Operaciones de corte 441 20.2
Operaciones de doblado 448 20.3 Embutido 452 20.4 Otras operaciones
de formado de lminas metlicas 459 20.5 Troqueles y prensas para
procesos con lminas metlicas 462 20.6 Operaciones con lminas
metlicas no realizadas en prensas 469 20.7 Doblado de material
tubular 474 Parte VI Procesos de remocin de material 481 21 TEORA
DE MAQUINADO DE METALES 481 21.1 Panorama general de la tecnologa
del maquinado 483 21.2 Teora de la formacin de viruta en el
maquinado de metales 486 21.3 Relaciones de fuerza y la ecuacin de
Merchant 490 21.4 Relaciones entre potencia y energa en el
maquinado 495 21.5 Temperatura de corte 498
11. Contenido xi 22 OPERACIONES DE MAQUINADO Y MQUINAS
HERRAMIENTA 505 22.1 Torneado y operaciones afines 508 22.2
Taladrado y operaciones afines 518 22.3 Fresado 522 22.4 Centros de
maquinado y centros de torneado 529 22.5 Otras operaciones de
maquinado 531 22.6 Maquinado de alta velocidad 536 23 TECNOLOGA DE
LAS HERRAMIENTAS DE CORTE 542 23.1 Vida de las herramientas 543
23.2 Materiales para herramientas 549 23.3 Configuracin geomtrica
de las herramientas 558 23.4 Fluidos para corte 566 24
CONSIDERACIONES ECONMICAS Y PARA EL DISEO DEL PRODUCTO EN MAQUINADO
574 24.1 Maquinabilidad 574 24.2 Tolerancias y acabado superficial
577 24.3 Seleccin de las condiciones de corte 581 24.4
Consideraciones para el diseo del producto en maquinado 587 25
ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS 594 25.1 Esmerilado 595 25.2
Procesos abrasivos relacionados 612 26 PROCESO DE MAQUINADO NO
TRADICIONAL Y DE CORTE TRMICO 618 26.1 Procesos de energa mecnica
619 26.2 Procesos de maquinado electroqumico 623 26.3 Procesos de
energa trmica 627 26.4 Maquinado qumico 635 26.5 Consideraciones
para la aplicacin 641 Parte VII Operaciones para la mejora de
propiedades y el procesamiento superficial 647 27 TRATAMIENTO
TRMICO DE METALES 647 27.1 Recocido 648 27.2 Formacin de martensita
en el acero 648 27.3 Endurecimiento por precipitacin 652 27.4
Endurecimiento superficial 654 27.5 Mtodos e instalaciones para el
tratamiento trmico 655 28 LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 660
28.1 Limpieza qumica 660 28.2 Limpieza mecnica y preparacin
superficial 663 28.3 Difusin e implantacin inica 665 29 PROCESOS DE
RECUBRIMIENTO Y DEPOSICIN 669 29.1 Chapeado y procesos relacionados
670 29.2 Recubrimientos por conversin 674 29.3 Deposicin fsica de
vapor 675 29.4 Deposicin qumica de vapor 678 29.5 Recubrimientos
orgnicos 681 29.6 Esmaltado en porcelana y otros recubrimientos
cermicos 683 29.7 Procesos de recubrimiento trmicos y mecnicos 684
Parte VIII Procesos de unin y ensamble 689 30 FUNDAMENTOS DE
SOLDADURA 689 30.1 Perspectiva de la tecnologa de la soldadura 691
30.2 Unin soldada 693 30.3 Fsica de la soldadura 696 30.4
Caractersticas de una junta soldada por fusin 699 31 PROCESOS DE
SOLDADURA 705 31.1 Soldadura con arco 706 31.2 Soldadura por
resistencia 716 31.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible 723
31.4 Otros procesos de soldadura por fusin 726 31.5 Soldadura de
estado slido 729 31.6 Calidad de la soldadura 734 31.7 Soldabilidad
739 32 SOLDADURA DURA, SOLDADURA SUAVE Y PEGADO ADHESIVO 745 32.1
Soldadura dura 746 32.2 Soldadura suave 751 32.3 Pegado adhesivo
755 33 ENSAMBLE MECNICO 763 33.1 Sujetadores roscados 764 33.2
Remaches y ojillos 770 33.3 Mtodos de ensamble basados en ajustes
por interferencia 772 33.4 Otros mtodos de sujecin mecnica 775 33.5
Insertos en moldeado y sujetadores integrales 776 33.6 Diseo para
ensambles 778 Parte IX Procesamiento especial y tecnologas de
ensamble 784 34 CREACIN RPIDA DE PROTOTIPOS 784 34.1 Fundamentos de
la creacin rpida de prototipos 785 34.2 Tecnologas para la creacin
rpida de prototipos 786 34.3 Aspectos de aplicacin en la creacin
rpida de prototipos 794
12. xii Contenido 35 PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS 798
35.1 Panorama del procesamiento de CI 799 35.2 Procesamiento del
silicio 803 35.3 Litografa 807 35.4 Procesos de formacin de capas
en la fabricacinde CI 811 35.5 Integracin de los pasos de
fabricacin 818 35.6 Encapsulado de CI 820 35.7 Rendimientos en el
procesamiento de CI 825 36 ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS
ELECTRNICOS 830 36.1 Encapsulado de dispositivos electrnicos 830
36.2 Tableros de circuitos impresos 832 36.3 Ensamble de tableros
de circuitos impresos 841 36.4 Tecnologa de montaje superficial 845
36.5 Tecnologa de conectores elctricos 850 37 TECNOLOGAS DE
MICROFABRICACIN 855 37.1 Productos de microsistemas 855 37.2
Procesos de microfabricacin 861 38 TECNOLOGAS DE NANOFABRICACIN 870
38.1 Introduccin a la nanotecnologa 872 38.2 Procesos de
nanofabricacin 877 38.3 La national nanotechnology initiative 884
Parte X Sistemas de manufactura 887 39 CONTROL NUMRICO Y ROBTICA
INDUSTRIAL 887 39.1 Control numrico 888 39.2 Robtica industrial 900
40 TECNOLOGA DE GRUPOS Y SISTEMAS FLEXIBLES DE MANUFACTURA 910 40.1
Tecnologa de grupos 910 40.2 Sistemas flexibles de manufactura 915
41 LNEAS DE PRODUCCIN 922 41.1 Fundamentos de las lneas de
produccin 922 41.2 Lneas de ensamble manual 926 41.3 Lneas de
produccin automatizadas 930 Parte XI Sistemas de apoyo a la
manufactura 937 42 INGENIERA DE MANUFACTURA 937 42.1 Planeacin de
procesos 938 42.2 Solucin de problemas y mejora continua 946 42.3
Ingeniera concurrente y diseo para la manufacturabilidad 946 43
PLANEACIN Y CONTROL DE LA PRODUCCIN 953 43.1 Planeacin agregada y
el programa maestro de produccin 955 43.2 Control de inventarios
956 43.3 Planeacin de requerimientos de materiales y de capacidad
960 43.4 Produccin justo a tiempo y ajustada 964 43.5 Control de
piso del taller 967 44 CONTROL DE CALIDAD 972 44.1 Que es la
calidad? 972 44.2 Capacidad del proceso 973 44.3 Tolerancia
estadstica 974 44.4 Mtodos de Taguchi 977 44.5 Control estadstico
de procesos 980 45 MEDICIN E INSPECCIN 989 45.1 Metrologa 990 45.2
Principios de inspeccin 993 45.3 Instrumentos de medicin y
calibradores convencionales 995 45.4 Mediciones de superficies 1002
45.5 Tecnologas avanzadas de medicin e inspeccin 1004 NDICE
1015
13. FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA
14. INTRODUCCIN Y PANORAMA DE LA MANUFACTURA1 CONTENIDO DEL
CAPTULO 1.1 Qu es la manufactura? 1.1.1 Definicin de manufactura
1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos 1.1.3 Capacidad
de manufactura 1.2 Los materiales en la manufactura 1.2.1 Metales
1.2.2 Cermicos 1.2.3 Polmeros 1.2.4 Compuestos 1.3 Procesos de
manufactura 1.3.1 Operaciones de procesamiento 1.3.2 Operaciones de
ensamblado 1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas 1.4 Sistemas
de produccin 1.4.1 Instalaciones de produccin 1.4.2 Sistemas de
apoyo a la manufactura 1.5 Organizacin del libro La manufactura es
importante en lo tecnolgico, econmico e histrico. La tecnologa se
define como la aplicacin de la ciencia para proporcionar a la
sociedad y a sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean.
La tecnologa influye de muchas formas en nuestras vidas diarias,
directa e indirectamente. Considere la lista de productos de la
tabla 1.1.Representan distintas tecnologas que ayudan a los
miembros de nuestra sociedad a vivir mejor. Qu tienen en comn esos
productos? Todos son manufacturados. Esas maravillas tecnolgicas no
estaran disponibles para la sociedad si no pudieran manufacturarse.
La manufactura es el factor esencial que hace posible a la
tecnologa. En cuanto a la economa, la manufactura es un medio
importante con el que una nacin crea bienestar material. En Estados
Unidos, las industrias manufactureras generan alrededor de 20% del
producto interno bruto (PIB).Los recursos naturales de un pas,como
las tierras agrcolas, depsitos minerales y reservas petrolferas,
tambin crean bienestar.
15. 2 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura En
Estados Unidos, la agricultura, minera e industrias similares
generan menos del 5% del PIB. La construccin y las empresas pblicas
producen algo ms del 5%. Y el resto corresponde a industrias de
servicios, entre las que se incluyen el menudeo, el transporte, la
banca, las comunicaciones, la educacin y el gobierno. El sector de
los servicios agrupa el 70%, aproximadamente, del PIB de Estados
Unidos. Tan slo el gobierno de ese pas genera tanto PIB como el
sector de manufactura, pero los servicios gubernamentales no crean
riqueza. En la economa moderna internacional, una nacin debe poseer
una base fuerte de manufactura (o tener recursos naturales
significativos) si ha de contar con una economa fuerte y estndares
de vida elevados para su pueblo. Histricamente, por lo general se
subestima la importancia de la manufactura en el desarrollo de la
civilizacin. Pero a lo largo de la historia, las culturas humanas
que han sido mejores para fabricar objetos han tenido ms xito.Al
elaborar herramientas mejores, tuvieron destrezas y armas mejores.
Las mejores destrezas les permitieron vivir mejor. Con armas
mejores pudieron conquistar a las culturas vecinas en pocas de
conflicto. En la Guerra Civil de Estados Unidos (1861-1865), una de
las grandes ventajas del Norte sobre el Sur fue su fortaleza
industrial, es decir, su capacidad de manufactura. En la Segunda
Guerra Mundial (1939-1945), Estados Unidos super en produccin a
Alemania y Japn ventaja decisiva para triunfar en la guerra. En
gran parte, la historia de la civilizacin es la historia de la
capacidad de la humanidad para fabricar cosas. En este captulo de
apertura, se consideran temas generales sobre la manufactura. Qu es
la manufactura? Cmo se organiza en la industria? Cules son los
materiales, procesos y sistemas con los que se logra la produccin?
1.1 QU ES LA MANUFACTURA? La palabra manufactura se deriva de las
palabras latinas manus (mano) y factus (hacer); la combinacin de
ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios
siglos de antigedad, y hecho a mano describe en forma adecuada los
mtodos manuales que se utilizaban cuando se acu la expresin.1 La
mayor parte de la manufactura moderna se lleva a cabo por medio de
maquinaria automatizada y controlada por computadora que se
supervisa manualmente (vase la nota histrica 1.1). TABLA 1.1
Productos que representan distintas tecnologas, la mayor parte de
los cuales influyen a casi todas las personas. Automvil deportivo
utilitario (ADU) con traccin en las cuatro ruedas, bolsas de aire,
frenos antibloqueo, control de manejo y radio AM-FM con reproductor
de discos compactos Avin supersnico Bolgrafo Cajero automtico
Calculadora electrnica porttil Cmara digital Circuito integrado
Computadora personal (PC) Disco compacto (CD) Disco de video
digital (DVD) Disquete de alta densidad para PC Escner ptico Foco
incandescente Fotocopiadora Horno de microondas Impresora de
inyeccin de tinta Juegos de video Latas de fcil apertura Lavadora
de trastos Lavadora y secadora Lentes de contacto Mquina de fax
Mquina para el diagnstico mdico por medio de imgenes de resonancia
magntica (IRM) Podadora autopropulsada Raqueta de tenis de
materiales compuestos Reloj de pulsera de cuarzo Reproductor de
cintas de video Reproductor de discos compactos Reproductor digital
de discos Robot industrial Silla de plstico para el jardn, moldeada
en una pieza Sistema de seguridad para el hogar Telfono celular
Televisin a colores de pantalla grande Zapatos deportivos 1
Alrededor de 1567 d. C., apareci por primera vez la palabra
manufactura como sustantivo, y hacia 1863 d. C., apareci como
verbo.
16. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 3 Nota histrica 1.1
Historia de la manufactura L a historia de la manufactura puede
dividirse en dos partes: 1) el descubrimiento y la invencin por
parte del hombre de los materiales y los procesos para fabricar
cosas, y 2) el desarrollo de los sistemas de produccin. Los mate-
riales y procesos para hacer objetos preceden a los sistemas en
varios milenios. Algunos de dichos procesos fundicin, trabajo con
martillo (forjar), y rectificado se remontan a 6 000 aos o ms. La
fabricacin temprana de implementos y armas se llev a cabo ms
mediante destrezas y oficios, que mediante la manufactura en el
sentido actual. Los antiguos romanos tenan lo que podran llamarse
fbricas para producir armas, pergaminos, cermica y vidrio, as como
otros productos de esa poca, pero los procedimientos se basaban por
mucho en el trabajo con las manos. En este momento se examinarn los
aspectos de los sistemas de manufactura, y los materiales y
procesos se dejarn para la nota histrica 1.2. La expresin sistemas
de manufactura se refiere a las formas de organizar a las personas
y a los equipos de modo que la produccin se lleve a cabo con ms
eficiencia. Son varios los sucesos histricos y descubrimientos que
tuvieron un efecto grande en el desarrollo de los sistemas modernos
de manufactura. Es claro que un descubrimiento significativo fue el
principio de la divisin del trabajo, es decir, dividir el trabajo
total en tareas, y hacer que los trabajadores individuales se
convirtieran en especialistas en hacer solo una. Este principio se
haba practicado durante siglos, pero al economista Adam Smith
(1723-1790) se le ha adjudicado el crdito por haber sido el primero
en explicar su significado econmico en su obra La riqueza de las
naciones. La Revolucin Industrial (alrededor de 1760 a 1830) tuvo
en diversos modos un efecto grande sobre la produccin. Marc el
cambio entre una economa basada en la agricultura y el oficio
manual, a otra con base en la industria y la manufactura. El cambio
comenz en Inglaterra, donde se invent una serie de mquinas y la
potencia del vapor remplaz a la del agua, a la del viento y a la
animal. Esas ventajas dieron a la industria britnica la delantera
sobre las de otras naciones, e Inglaterra trat de impedir la
exportacin de las tecnologas nuevas. Sin embargo, finalmente la
revolucin se extendi a otros pases europeos y a Estados Unidos.
Varios inventos de la revolucin industrial contribuyeron mucho al
desarrollo de la manufactura: 1) la mquina de vapor de Watt, una
tecnologa nueva de generacin de energa para la industria, 2) las
mquinas herramienta, que comenzaron con la perforadora de John
Wilkinson, alrededor de 1775 (vase la nota histrica 22.1); 3) la
hiladora con varios husillos, el telar mecnico, y otras para la
industria textil, que permitieron incrementos significativos de la
productividad; y 4) el sistema fabril, forma nueva de organizar
nmeros grandes de trabajadores de la produccin con base en la
divisin del trabajo. En tanto Inglaterra lideraba la revolucin
industrial, en Estados Unidos surga un concepto importante: la
manufactura de piezas intercambiables. Se concede gran parte del
crdito por este concepto a Eli Whitney (1765-1825), aunque su
importancia ha sido reconocida a travs de otros [6]. En 1797,
Whitney negoci un contrato para producir 10000 mosquetes para el
gobierno de Estados Unidos. En esa poca, la manera de fabricar
armas era artesanal, fabricar cada pieza por separado para un arma
en particular, y luego ajustarlas a mano. Cada mosquete era nico, y
el tiempo de fabricacin era considerable. Whitney crea que los
componentes podan hacerse con la exactitud suficiente para permitir
su ensamblado sin ajustarlas. Despus de varios aos de desarrollo en
su fbrica de Connecticut, en 1801 viaj a Washington para demostrar
el principio. Puso los componentes de 10 mosquetes ante
funcionarios gubernamentales, entre ellos Thomas Jefferson, y
procedi a seleccionar piezas al azar para ensamblar las armas. No
se requiri sensibilidad o ajuste especial, y todas las armas
funcionaron a la perfeccin. El secreto detrs de su logro era el
conjunto de mquinas, refacciones y medidores especiales que haba
perfeccionado en su fbrica. La manufactura de piezas
intercambiables requiri muchos aos de desarrollo antes de
convertirse en una realidad prctica, pero revolucion los mtodos de
manufactura y es un prerrequisito para la produccin en masa. Debido
a que su origen tuvo lugar en Estados Unidos, la produccin de
piezas intercambiables se conoci como el sistema americano de
manufactura. De su segunda mitad y hasta al final del siglo XIX se
presenci la expansin de los ferrocarriles, barcos de vapor y otras
mquinas que crearon la necesidad creciente de hierro y acero. Se
crearon mtodos nuevos de produccin para satisfacer esa demanda
(vase la nota histrica 6.1). Asimismo, durante ese periodo se
inventaron varios productos de consumo, entre stos: la mquina de
coser, la bicicleta y el automvil. A fin de satisfacer la demanda
masiva de esos artculos, se requirieron mtodos ms eficientes de
produccin. Algunos historiadores identifican los desarrollos
durante ese periodo como la Segunda Revolucin Industrial, que se
caracteriz en trminos de sus efectos sobre los sistemas de
manufactura a travs de lo siguiente: 1) produccin en masa, 2)
movimiento de la administracin cientfica, 3) lneas de ensamblado, y
4) electrificacin de las fbricas. A finales del siglo XIX, surgi en
Estados Unidos el movimiento de la administracin cientfica, en
respuesta a la necesidad de planear y controlar las actividades de
un nmero en aumento de trabajadores. Los lderes del movimiento
incluan a Frederick W. Taylor (1856-1915), Frank Gilbreth
(1868-1924) y su esposa Lilian (1878-1972). La administracin
cientfica tena varias caractersticas [2]: 1) el estudio de
movimientos, motivado por descubrir el mtodo mejor para ejecutar
una tarea dada; 2) el estudio de tiempos, para establecer estndares
de trabajo para cierta labor; 3) el uso amplio de estndares en la
industria; 4) el sistema de pago a destajo y otros planes similares
de incentivos del trabajo; y 5) el uso de conjuntos de datos,
17. 4 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura
conservacin de registros y contabilidad de costos en las
operaciones fabriles. Henry Ford (1863-1947) introdujo la lnea de
ensamblado en 1913, en su planta de Highland Park (vase la nota
histrica 41.1). La lnea de ensamblado hizo posible la produccin en
masa de productos de consumo complejos. Sus mtodos permitieron a
Ford vender un automvil modelo T a un precio tan bajo como $500, lo
que hizo que poseer un coche fuera algo factible para un segmento
grande de la poblacin estadounidense. En 1881, se construy en la
ciudad de Nueva York la primera planta de generacin de energa
elctrica, y pronto se utilizaron los motores elctricos como fuente
de energa para operar la maquinaria de las fbricas. ste era un
sistema que convena ms que las mquinas de vapor para distribuir
energa, pues para llevarla a las mquinas se necesitaban bandas de
transmisin. Alrededor de 1920, la electricidad haba sustituido al
vapor como la fuente principal de energa de las fbricas de Estados
Unidos. El siglo XX fue la poca en la que hubo ms avances
tecnolgicos que en todos los siglos pasados juntos. Muchos de esos
desarrollos dieron origen a la automatizacin de la manufactura.
1.1.1 Definicin de manufactura Como campo de estudio en el contexto
moderno, la manufactura se puede definir de dos maneras: una
tecnolgica y la otra econmica. En el sentido tecnolgico, la
manufactura es la aplicacin de procesos fsicos y qumicos para
alterar la geometra, propiedades o apariencia de un material de
inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufactura tambin
incluye el ensamble de piezas mltiples para fabricar productos. Los
procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una
combinacin de mquinas, herramientas, energa y trabajo manual, como
se ilustra en la figura 1.1a). Casi siempre, la manufactura se
ejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de stas lleva
al material ms cerca del estado final que se desea. En el sentido
econmico, la manufactura es la transformacin de los materiales en
artculos de valor mayor por medio de uno o ms operaciones de
procesamiento o ensamblado, segn lo ilustra la figura 1.1b). La
clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su
forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos
tambin alterados. El material se habr hecho ms valioso por medio de
las operaciones de manufactura ejecutadas en l. Cuando el mineral
de hierro se convierte en acero se le agrega valor. Si la arena se
transforma en vidrio se le aade valor. Cuando el petrleo se refina
y se convierte en plstico su valor aumenta. Y cuando el plstico se
modela en la geometra compleja de una silla de jardn, se vuelve ms
valioso. Es frecuente que las palabras manufactura y produccin se
usen en forma indistinta. El punto de vista del autor es que la
produccin tiene un significado ms amplio que la manufactura. Para
ilustrar esto, se puede utilizar la expresin produccin de petrleo
crudo, pero la frase manufactura de petrleo crudo parece fuera de
lugar. Sin embargo, FIGURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura:
a) como proceso tcnico, y b) como proceso econmico. a) b) Material
de inicio Material de inicio Pieza procesada Pieza procesada
Material en proceso Valor agregado $$ Proceso de manufactura
Proceso de manufactura Sobrantes y desperdicios Trabajo Energa H
erram ientas M aquinaria $$$$
18. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 5 cuando se emplea en el
contexto de productos tales como piezas metlicas o automviles,
cualquiera de ambas palabras es aceptable. 1.1.2 Las industrias
manufactureras y sus productos La manufactura es una actividad
importante, pero no se lleva a cabo slo por s misma. Se ejecuta
como una actividad comercial de las compaas que venden productos a
los clientes. El tipo de manufactura que una empresa realiza
depende de la clase de producto que fabrica. Esta relacin se va a
analizar primero con el examen de los tipos de industrias
manufactureras, y despus con la identificacin de los productos que
generan. Industriasmanufactureras
Laindustriaconsisteenempresasyorganizacionesqueproducen o
suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como
primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias
cultivan y explotan recursos naturales, tales como la agricultura y
minera. Las industrias secundarias toman las salidas de las
primarias y las convierten en bienes de consumo y capital.En esta
categora,la manufactura es la actividad principal, pero tambin
quedan incluidas las construcciones y la generacin de energa. Las
industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la
economa. En la tabla 1.2 se presenta una lista de industrias
especficas de dichas categoras.
Estelibrosededicaalasindustriassecundariasdelatabla1.2,queincluyenlascompaas
que se dedican a la manufactura. Sin embargo, la Clasificacin
Internacional Estndar de Industrias,que se emple para compilar la
tabla 1.2,incluye varias industrias cuyas tecnologas de produccin
no se estudian en este texto; por ejemplo, las bebidas, los
productos qumicos y los alimentos procesados. En el libro,
manufactura significa produccin de hardware, que va desde tuercas y
tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen
productos plsticos y cermicos, pero se excluyen la ropa, las
bebidas, los productos qumicos, la comida y el software. En la
tabla 1.3 se presenta nuestra lista corta de industrias
manufactureras. Productos manufacturados Los productos finales
fabricados por las industrias que se enlistan en la tabla 1.3 se
dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienes de
capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores
compran en forma directa, como autos, computadoras personales,
televisiones, neumticos y raquetas de tenis, entre muchos otros ms.
Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compaas para
producir bienes y prestar servicios. Algunos ejemplos de bienes de
capital incluyen aviones, computadoras grandes, equipo ferroviario,
mquinas herramienta y equipo para la construccin. TABLA 1.2
Industrias especficas de las categoras primaria, secundaria y
terciaria. Primaria Secundaria Terciaria (servicios) Agricultura
Canteras Forestal Ganadera Minera Pesca Petrleo Aerospacial
Alimentos procesados Aparatos de consumo Automotriz Bebidas
Computadoras Construccin Editorial Electrnica Equipos Farmacutica
Instalaciones de generacin de energa Madera y muebles Maquinaria
pesada Materiales para construccin Metales procesados Metalurgia
bsica Neumticos y caucho Papel Plsticos (formados) Productos
qumicos Refinacin de petrleo Textiles Vestido Vidrio, cermicos
Banca Bienes races Comercio al mayoreo Comercio al menudeo
Comunicaciones Educacin Entretenimiento Gobierno Hotel Informacin
Legales Reparaciones y mantenimiento Restaurantes Salud y cuidados
mdicos Seguros Servicios financieros Transporte Turismo
19. 6 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura Adems
de los productos finales, otros artculos manufacturados incluyen
los mate- riales, componentes y suministros que emplean las compaas
para fabricar los artculos terminados. Algunos ejemplos de ellos
incluyen la lmina de acero, barras de acero, acua-
cin,piezasmaquinadas,plsticosmoldeadosyextrusiones,herramientasdecorte,troqueles,
moldes y lubricantes. As, las industrias manufactureras son una
infraestructura compleja con categoras y niveles distintos de
proveedores intermedios con quienes el consumidor final nunca
tratar. Este libro por lo general estudia artculos discretos piezas
individuales y productos ensamblados en lugar de aquellos
producidos por procesos continuos. Un estampado metlico es un
producto discreto, pero el rollo de metal laminado del que se
fabrica es continuo o semicontinuo. Muchas piezas discretas
comienzan como productos continuos o semicontinuos, tales como las
extrusiones o el cable elctrico. Secciones grandes de longitudes
casi continuas se cortan al tamao que se desea. Una refinera de
petrleo es un ejemplo an mejor del proceso continuo. Cantidad de
produccin y variedad de productos La cantidad de productos
elaborados por una fbrica tiene una influencia importante en la
manera en que estn organizados su personal, sus instalaciones y sus
procedimientos. Las cantidades de produccin anual se clasifican en
tres categoras: 1) produccin baja, en el rango de 1 a 100 unidades
por ao; 2) produccin media, de 100 a 10 000 unidades anuales; y 3)
produccin alta, de 10000 a varios millones de unidades. Los lmites
de los tres rangos son algo arbitrarias (son a juicio del autor).
En funcin de las clases de productos pueden cambiar su orden de
magnitud. La cantidad de produccin se refiere al nmero de unidades
de cierto tipo de producto que se producen en un ao.Algunas plantas
producen una variedad de productos distintos, cada uno de los
cuales se hace en cantidades bajas o medias. Otras plantas se
especializan en la produccin alta de un solo tipo de producto. Es
instructivo identificar la variedad de productos como parmetro
distintivo de la cantidad de produccin. La variedad de productos se
refiere a los diseos o tipos distintos de productos que se producen
en la planta. Productos diferentes tienen formas y tamaos
diferentes; desempean funciones distintas; se destinan a mercados
distintos; algunos tienen ms componentes que otros; y as
sucesivamente. Es posible contar el nmero de tipos distintos de
productos fabricados cada ao. Cuando el nmero de tipos de productos
de la fbrica es elevado, eso indica una variedad de productos alta.
Existe una correlacin inversa entre la variedad de productos y la
cantidad de produccin, en trminos de las operaciones de la fbrica.
Si la variedad de los productos de una fbrica es elevada, entonces
es probable que su cantidad de produccin sea baja; pero si la
cantidad de produccin es alta,entonces la variedad de productos ser
baja,como se ilustra con la banda diagonal en la figura 1.2. Aunque
se ha identificado la variedad de productos como un parmetro
cuantitativo (nmero de tipos diferentes de productos que hace la
planta o la compaa), ste es mucho menos exacto que la cantidad de
produccin ya que los detalles en que difieren los diseos TABLA 1.3
Industrias de manufactura cuyos materiales, procesos y sistemas se
estudian en este libro. Industria Aerospacial Automotriz Metalurgia
bsica Computacin Aparatos de consumo Electrnica Productos tpicos
Aviones comerciales y militares Autos, camiones, autobuses,
motocicletas Hierro, acero, aluminio, cobre, etc. Computadoras
grandes y personales Aparatos domsticos grandes y pequeos Equipo de
audio, televisiones, reproductoras de video Industria Equipos
Metales procesados Vidrio, cermicos Maquinaria pesada Plsticos
(formados) Neumticos y caucho Productos tpicos Maquinaria
industrial, equipo ferroviario Piezas maquinadas, acuacin,
herramientas Productos de vidrio, herramientas cermicos, vajillas
Mquinas herramientas, construccin de equipos Plsticos moldeados,
extrusiones de plstico Llantas, suelas de calzado, pelotas de
tenis
20. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 7 no se capturan slo con
el nmero de diseos distintos. Las diferencias entre un automvil y
un acondicionador de aire son mucho mayores que entre este ltimo y
una bomba de calor.Y dentro de cada tipo de producto existen
diferencias entre modelos especficos. El grado de las diferencias
del producto puede ser pequeo o grande,como se manifiesta en la
industria automotriz. Cada una de las compaas automotrices de
Estados Unidos. produce dos o tres modelos de automvil distintos en
la misma planta de ensamblado, aunque los estilos de la carrocera y
otras caractersticas del diseo son virtualmente las mismas. En
plantas distintas, la compaa construye camiones pesados. Para
describir dichas diferencias de la variedad de productos, se
utilizan los trminos suave y dura. La variedad suave de productos
ocurre cuando slo existen diferencias pequeas en la variedad de
productos, como aquellas entre autos fabricados en la misma lnea de
produccin. En un producto ensamblado, la variedad de productos se
caracteriza por una proporcin elevada de piezas comunes entre los
modelos. La variedad dura de productos sucede cuando stos varan en
forma sustancial, y hay pocas piezas en comn, o ninguna. La
diferencia entre un automvil y un camin es dura. 1.1.3 Capacidad de
manufactura Una planta de manufactura consiste en un conjunto de
procesos y sistemas (y personas, por supuesto) diseados para
transformar cierto rango limitado de materiales en pro- ductos de
valor incrementado. Esos tres bloques constitutivos materiales,
procesos y sistemas integran la materia de la manufactura moderna.
Entre esos factores existe una interdependencia fuerte. Una compaa
manufacturera no puede hacer todo. Slo debe hacer ciertas cosas y
hacerlas bien. La capacidad de manufactura se refiere a las
limitaciones tcnicas y fsicas de una empresa de manufactura y cada
una de sus plantas. Es posible identificar varias dimensiones de
dicha capacidad: 1) capacidad tecnolgica de proceso, 2) tamao fsico
y peso del producto, y 3) capacidad de produccin. Capacidad
tecnolgica de proceso La capacidad tecnolgica de proceso de una
planta (o compaa) es el conjunto de procesos de manufactura con que
dispone. Ciertas plantas realizan operaciones de maquinado,otras
convierten lingotes de acero en lmina,y unas ms construyen
automviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una
planta de laminacin no puede fabricar autos. La caracterstica
subyacente que distingue a esas plantas son los procesos que pueden
ejecutar. La capacidad de procesamiento tecnolgico se relaciona de
cerca con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se
ajustan a ciertos materiales, mientras que otros se adaptan a unos
distintos. Al especializarse en determinado proceso o grupo de
procesos, la planta se especializa en forma simultnea en ciertos
tipos de materiales. Las capacidades tecnolgicas de proceso
incluyen no slo los procesos fsicos, sino tambin la experiencia que
tiene el personal de la planta en dichas tecnologas. Las compaas
deben concentrarse en el diseo y la manufactura de productos que
son compatibles con su capacidad tecnolgica de proceso. FIGURA 1.2
Relacin entre la variedad de productos y la cantidad de produccin
en la manufactura de productos discretos.
21. 8 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura
Limitaciones fsicas del producto Un segundo aspecto de la capacidad
de manufactura lo impone el producto fsico.Una planta con un
conjunto dado de procesos est limitada en los trminos del tamao y
el peso de los productos que pueden alojarse.Los productos grandes
y pesados son difciles de mover. Para hacerlo, la planta debe
equiparse con gras con la capacidad de carga requerida. Piezas y
productos pequeos que se fabrican en cantidades grandes se
trasladan por medio de bandas u otros medios. La limitante del
tamao y peso de un producto tambin se extiende a la capacidad fsica
del equipo de manufactura. Las mquinas de produccin tienen tamaos
distintos. Las ms grandes deben utilizarse para procesar piezas
grandes. El conjunto del equipo de produccin, manejo de materiales,
capacidad de almacenamiento y tamao de planta, debe planearse para
los productos que estn dentro de cierto rango de tamao y peso.
Capacidad de produccin Una tercera limitante de la capacidad de una
planta de manufactura, es la cantidad de produccin que puede
obtenerse en un periodo de tiempo dado (por ejemplo, mes o ao). Es
comn llamar a dicha limitante de cantidad capacidad de planta, o
capacidad de produccin, y se define como la tasa mxima de produccin
que una planta puede alcanzar en condiciones dadas de operacin.
Estas condiciones se refieren al nmero de turnos por semana, horas
por turno, niveles de la mano de obra directa, entre otros. Esos
factores representan entradas de la planta. Dadas estas entradas,
cul es la salida que puede generar la empresa? Por lo general,la
capacidad de planta se mide en trminos de las unidades producidas,
tales como las toneladas de acero que produce al ao una fundicin, o
el nmero de automviles producido por una planta de ensamblado
final.En estos casos,las producciones son homogneas.En los casos en
que las unidades de produccin no son homogneas,otros factores ms
apropiados de medicin, son las horas hombre de capacidad productiva
en un taller de maquinado que produce piezas varias. Los
materiales, procesos y sistemas son los bloques constitutivos
bsicos de la manufactura, y las tres amplias reas temticas de este
libro. A continuacin se dar un panorama de dichos temas. 1.2 LOS
MATERIALES EN LA MANUFACTURA La mayor parte de los materiales para
ingeniera se clasifican en una de tres categoras bsicas: 1)
metales, 2) cermicos y 3) polmeros. Sus caractersticas qumicas son
diferentes, sus propiedades mecnicas y fsicas no se parecen y
afectan los procesos de manufactura susceptibles de emplearse para
obtener productos de ellos. Adems de las tres categoras bsicas,hay
4) compuestos mezclas no homogneas de los otros tres tipos
fundamentales. La relacin entre los cuatro grupos se ilustra en la
figura 1.3. En esta seccin se revisa a dichos materiales. En los
captulos 6 a 9, se estudian con ms detalle los cuatro tipos de
material. 1.2.1 Metales Los metales que se emplean en la
manufactura, por lo general son aleaciones, que estn compuestos de
dos o ms elementos, con al menos uno en forma metlica. Los metales
se dividen en dos grupos bsicos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.
Metales ferrosos Los metales ferrosos se basan en el hierro: el
grupo incluye acero y hierro colado. Dichos metales constituyen el
grupo comercial ms importante, ms de las tres cuartas partes del
peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene un
uso comercial limitado, pero cuando se mezcla con carbono tiene ms
usos y mayor valor
22. Seccin 1.2/Los materiales en la manufactura 9 comercial que
cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbono forman
acero y hierro colado. El acero se define como una aleacin de
hierro-carbono que contiene 0.02%-2.11% de carbono. Es la categora
ms importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuente
que su composicin incluya otros elementos de la aleacin, tales como
manganeso, cromo, nquel y molibdeno, para mejorar las propiedades
del metal. Las aplicaciones del acero incluyen la construccin (por
ejemplo: puentes, vigas tipo I, y clavos), transporte (camiones,
rieles y equipo rodante para va frrea), y productos de consumo
(automviles y aparatos). El hierro colado es una aleacin de fierro
y carbono (2%-4%) que se utiliza en el moldeado (sobre todo en el
moldeado en arena verde). El silicio tambin est presente en la
aleacin (en cantidades que van de 0.5% a 3%),y es frecuente que
tambin se agreguen otros elementos para obtener propiedades
deseables en el elemento fundido. El hierro colado se encuentra
disponible en distintas formas,de las que la ms comn es el hierro
colado gris;sus aplicaciones incluyen bloques y cabezas para
motores de combustin interna. Metales no ferrosos Los metales no
ferrosos incluyen los dems elementos metlicos y sus aleaciones. En
casi todos los casos, las aleaciones tienen ms importancia
comercial que los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen
los metales puros y aleaciones de aluminio, cobre, oro, magnesio,
nquel, plata, estao, titanio, zinc y otros metales. 1.2.2 Cermicos
Un cermico se define como un compuesto que contiene elementos
metlicos (o semime- tlicos) y no metlicos. Los elementos no
metlicos comunes son oxgeno, nitrgeno y carbono. Los cermicos
incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos. Los
productos cermicos tradicionales, algunos de los cuales se han
utilizado durante mi- les de aos, incluyen: arcilla (se dispone de
ella en abundancia, consiste en partculas finas de silicatos de
aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la
fabricacin de ladrillos, baldosas y vajillas); slice (es la base
para casi todos los productos de vidrio); y almina y carburo de
silicn (dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado).
Los cermicos modernos incluyen algunos de los materiales
anteriores, tales como la almina, cuyas propiedades se mejoran en
varios modos a travs de mtodos modernos de procesamiento. Los ms
nuevos incluyen carburos los carburos metlicos tales como el
carburo de tungsteno y el de titanio,se emplean mucho como
materiales para herramientas de corte,y los nitruros los nitruros
metlicos y semimetlicos como el nitruro de titanio y el de boro, se
utilizan como herramientas de corte y abrasivos para rectificar.
Con fines de procesamiento, los cermicos se dividen en 1) cermicos
cristalinos y 2) vidrios. Para cada tipo se requieren diferentes
mtodos de manufactura. Los cermicos cristalinos se forman de
distintos modos a partir de polvos que despus se calientan (a una
temperatura inferior del punto de fusin a fin de lograr la unin
entre los polvos). Los cermicos vidriados (vidrio, sobre todo) se
mezclan y funden para despus formarse en procesos tales como el
vidrio soplado tradicional. FIGURA 1.3 Diagrama de Venn que muestra
los tres tipos de materiales bsicos ms los compuestos.
23. 10 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura 1.2.3
Polmeros Un polmero es un compuesto formado por unidades
estructurales repetidas denominadas
meros,cuyostomoscompartenelectronesqueformanmolculasmuygrandes.Porlogeneral,
lospolmerosconsistenencarbonomsunoomselementostalescomohidrgeno,nitrgeno,
oxgeno y cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras: 1)
polmeros termoplsticos o termovariables, 2) polmeros termoestables
o termofijos, y 3) elastmeros. Los polmeros termoplsticos pueden
sujetarse a ciclos mltiples de calentamiento y enfriamiento sin que
se altere en forma sustancial la estructura molecular del polmero.
Los termoplsticos comunes incluyen polietileno, poliestireno,
cloruro de polivinilo y nai- lon. Los polmeros termoestables sufren
una transformacin qumica (curado) hacia una estructura rgida despus
de haberse enfriado a partir de una condicin plstica calentada; de
ah el nombre de termoestables. Los miembros de este tipo incluyen
los fenoles, re- sinas amino y epxicas. Aunque se emplea el nombre
termoestable, algunos de dichos polmeros se curan por medio de
mecanismos distintos del calentamiento. Los elastmeros son polmeros
que muestran un comportamiento muy elstico; de ah el nombre de
elast- meros. Incluyen el caucho natural, neopreno, silicn y
poliuretano. 1.2.4 Compuestos Los compuestos no constituyen en
realidad una categora separada de materiales; son mezclas de los
otros tres tipos. Un compuesto es un material que consiste en dos o
ms fases que se procesan por separado y luego se unen para lograr
propiedades superiores a las de sus constituyentes. El trmino fase
se refiere a una masa homognea de material, tal como la agregacin
de granos de estructura celular idntica y unitaria en un metal
slido. La estructura usual de un compuesto consiste en partculas o
fibras de una fase mezclada en una segunda que se llama la matriz.
Los compuestos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo,
madera), y se pueden producir en forma sinttica. El tipo
sintetizado es de mayor inters aqu, e incluye fibras de vidrio en
una matriz de polmero, por ejemplo fibra reforzada de plstico;
fibras de polmero de un tipo en una matriz de un segundo
polmero,tal como un compuesto epxico de Kevlar; y un cermico en una
matriz metlica, tal como carburo de tungsteno en una sustancia
aglutinante de cobalto para formar una herramienta de corte a base
de carburo cementado. Las propiedades de un compuesto dependen de
sus componentes, las formas fsicas de stos, y la manera en que se
combinan para formar el material final. Algunos compuestos combinan
una resistencia elevada con el poco peso, y son apropiadas para
aplicarlos en componentes aeronuticos, carroceras de automviles,
cascos de barcos, raquetas de tenis, y
caasdepescar.Otroscompuestossonfuertes,durosycapacesdeconservardichaspropiedades
a temperaturas elevadas, por ejemplo, las herramientas cortadoras
de carburo cementado. 1.3 PROCESOS DE MANUFACTURA Los procesos de
manufactura se dividen en dos tipos bsicos: 1) las operaciones del
proceso, y 2) las del ensamblado. Una operacin del proceso hace que
un material de trabajo pase de un estado de acabado a otro ms
avanzado que est ms cerca del producto final que se desea. Se
agrega valor cambiando la geometra, las propiedades o la apariencia
del material de inicio. En general, las operaciones del proceso se
ejecutan sobre partes discretas del trabajo, pero algunas tambin
son aplicables a artculos ensamblados. Una operacin de ensamblado
une dos o ms componentes a fin de crear una entidad nueva, llamada
ensamble, subensamble o algn otro trmino que se refiera al proceso
de unin (por ejemplo,un ensamble soldado se denomina soldadura).En
la figura 1.4 se presenta una
24. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 11 clasificacin de
procesos de manufactura. La mayor parte de los procesos de
manufactura que se estudian en este libro se pueden observar en el
disco de video digital (DVD) que viene adjunto. A lo largo del
texto se dan avisos sobre dichos cortos de video. Algunos de los
procesos bsicos que se emplean en la manufactura moderna datan de
la antigedad (vase la nota histrica 1.2). Mtodos de unin permanente
Sujetadores roscados Soldadura fuerte y soldadura blanda
Recubrimiento y procesos de deposicin Limpieza y tratamiento de
superficies Tratamiento trmico Remocin de materiales Procesos de
deformacin Procesos de formado Procesos de mejora de propiedades
Operaciones de procesamiento Operaciones de ensamble Procesos de
manufactura Operaciones de procesamiento de superficies Procesos de
unin permanente Ensamble mecnico Procesamiento de partculas
Fundicin, moldeado, etc. Soldadura autgena Unin mediante adhesivos
FIGURA 1.4 Clasificacin de los procesos de manufactura. Nota
histrica 1.2 Materiales y procesos de manufactura En tanto que la
mayor parte de los desarrollos histricos que constituyen la prctica
moderna de la manufactura han tenido lugar slo durante los ltimos
siglos (vase la nota histrica 1.1), varios de los procesos bsicos
de fabricacin datan del periodo Neoltico (alrededor de 8000-3000 a.
C.). Fue durante ese periodo que se desarrollaron procesos tales
como los siguientes: tallar y trabajar la madera, formar a mano y
cocer vasijas de arcilla, tallar y pulir piedra, hilar y tejer
textiles, y teir la ropa. La metalurgia y el trabajo de los metales
tambin comenzaron en el Neoltico, en Mesopotamia y otras reas
alrededor del Mediterrneo. Se extendi hacia regiones de Europa y
Asia o se desarroll en ellas de manera independiente. El ser humano
primitivo encontraba el oro en la naturaleza en forma relativamente
pura. Poda martillarlo para darle forma. Es probable que el cobre
sea el primer metal que se extraa de yacimientos, lo que requera
del fundido como tcnica de procesamiento. El cobre no poda ser
martillado con facilidad debido a que se endureca, en su lugar, se
le daba forma por medio de la fundicin (vase la nota histrica
10.1). Otros metales utilizados durante este periodo fueron la
plata y el estao. Se descubri que la aleacin de cobre con estao
produca un metal ms fcil de trabajar que el cobre puro (poda usarse
tanto la fundicin como el martillado). Esto anunci el periodo
importante que se conoce como la Edad de Bronce (alrededor de
3500-1500 a. C.). El hierro tambin fue fundido por primera vez
durante la Edad de Bronce. Es posible que los meteoritos hayan sido
una fuente de ese metal, pero tambin se explotaban yacimientos. Las
temperaturas requeridas para reducir el mineral de hierro a metal
son significativamente ms
25. 12 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura 1.3.1
Operaciones de procesamiento Una operacin de procesamiento utiliza
energa para modificar la forma, las propiedades fsicas o la
apariencia de una pieza,a fin de agregar valor al material.Las
formas de la energa incluyen la mecnica, trmica, elctrica y qumica.
La energa se aplica en forma controlada por medio de maquinaria y
herramientas. Tambin se requiere de la energa humana, pero los
trabajadores se emplean por lo general para controlar las mquinas,
supervisar las operaciones y cargar y descargar las piezas antes y
despus de cada ciclo de operacin. En la figura 1.1a) se ilustra un
modelo general de operacin de procesamiento. El material alimenta
al proceso, las mquinas y herramientas aplican energa para
transformar el material,y la pieza terminada sale del proceso.La
mayora de las operaciones de produccin generan desperdicios o
sobrantes, sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo,
remocin de material como en el maquinado) o en forma de piezas
defectuosas ocasionales. Un objetivo importante de la manufactura
es reducir el desperdicio en cualquiera de esas formas. Por lo
general se requiere ms de una operacin de procesamiento para
transformar el material de inicio a su forma final.Las operaciones
se llevan a cabo en la secuencia particular que se requiere para
alcanzar la geometra y condicin definidas por las especificaciones
del diseo. elevadas que aquellas que se requieren para el cobre, lo
que hace ms difciles las operaciones de los hornos. Por la misma
razn, otros mtodos de procesamiento tambin eran ms difciles. Los
primeros herreros aprendieron que cuando ciertas clases de hierro
(los que contenan cantidades pequeas de carbono) se calentaban lo
suficiente y despus se enfriaban por inmersin, se volvan muy duras.
Esto permita formar un borde muy afilado y cortante en los
cuchillos y armas, pero tambin haca que el metal fuera quebradizo.
Poda incrementarse la dureza con el recalentamiento a una
temperatura ms baja, proceso conocido como templado. Lo que se ha
descrito es, por supuesto, el tratamiento trmico del acero. Las
propiedades superiores del acero ocasionaron que sustituyera al
bronce en muchas aplicaciones (armamento, agricultura y artefactos
mecnicos). El periodo de su utilizacin se denomin posteriormente
como Edad de Hierro (comenz alrededor de 1000 a. C.). No fue hasta
mucho despus, bien entrado el siglo XIX, que la demanda de acero
creci en forma significativa y se inventaron tcnicas ms modernas
para su fabricacin (vase la nota histrica 6.1). Los principios de
la tecnologa de las mquinas herra- mienta ocurrieron durante la
Revolucin Industrial. En el periodo de 1770 a 1850, se crearon
mquinas herramienta para la mayora de los procesos de remocin de
material convencionales, tales como perforar, tornear, rectificar,
fresar, perfilar y cepillar (vase la nota histrica 22.1). Muchos de
los procesos individuales anteceden en siglos a las mquinas
herramienta; por ejemplo, perforar y aserrar (madera) datan de
tiempos antiguos, y tornear (madera) se remonta a la poca de
Cristo. Los mtodos de ensamble se empleaban en las culturas
antiguas para hacer barcos, armas, herramientas, implementos
agrcolas, maquinaria, carruajes y carretas, muebles y prendas de
ropa. Los procesos incluan sujetar con lianas y cuerdas, remachar y
clavar, y soldar. Aproximadamente en tiempos de Cristo, se
desarrollaron la soldadura con forja y la unin mediante adhesivos.
El uso extendido de tornillos, remaches y tuercas como sujetadores
tan comn en el ensamble de hoy, requiri la creacin de mquinas
herramienta capaces de cortar con exactitud las formas helicoidales
que se requeran (por ejemplo, el torno de Maudsley para cortar
tornillos, 1800). No fue sino hasta alrededor de 1900 que se
empezaron a desarrollar los procesos de soldadura autgena por fusin
como tcnicas de ensamble (vase la nota histrica 30.1). El caucho
natural fue el primer polmero que se us en la manufactura (si se
excluye la madera, que es un polmero compuesto). El proceso de
vulcanizacin, descubierto por Charles Goodyear en 1839, hizo del
caucho un material til para la ingeniera (vase la nota histrica
8.2). Los desarrollos posteriores incluan a los plsticos tales como
el nitrato de celulosa en 1870, la baquelita en 1900, el cloruro de
polivinilo en 1927, el polietileno en 1932, y el nailon al final de
la dcada de 1930 (vase la nota histrica 8.1). Los requerimientos de
procesamiento para los plsticos condujeron al desarrollo del moldeo
por inyeccin (con base en el vaciado en molde, uno de los procesos
de fundicin de metales) y otras tcnicas para dar forma a los
polmeros. Los productos electrnicos han impuesto demandas inusuales
a la manufactura en cuanto a miniaturizacin. La evolucin de la
tecnologa ha ido en direccin de agrupar ms y ms dispositivos en un
rea cada vez ms pequea en algunos casos, un milln de transistores
en una pieza plana de material semiconductor que slo mide 12 mm
(0.50 in) por lado. La historia del procesamiento y el montaje
electrnicos se remonta a slo unas cuantas dcadas (vanse las notas
histricas 35.1, 36.1 y 36.2).
26. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 13 Se distinguen tres
categoras de operaciones de procesamiento: 1) operaciones de
formado, 2) operaciones de mejoramiento de una propiedad, y 3)
operaciones de procesa- miento de una superficie. Las operaciones
de formado alteran la geometra del material inicial de trabajo por
medio de varios mtodos.Los procesos comunes de formado incluyen al
moldeado, la forja y el maquinado. Las operaciones de mejoramiento
de una propiedad agregan valor al material con la mejora de sus
propiedades fsicas sin cambio de la forma. El ejemplo ms comn es el
tratamiento trmico. Las operaciones de procesamiento de una
superficie se ejecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar
material sobre la superficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes
del recubrimiento son el cromado y el pintado. Los procesos de
formado se estudian en las partes III a VI, y corresponden a las
cuatro categoras principales de los procesos de formado que se
muestran en la figura 1.4. Los procesos de mejoramiento de una
propiedad y de procesamiento de una superficie se estudian en la
parte VII. Procesos de formado La mayor parte de los procesos de
formado aplican calor o fuerzas mecnicas o una combinacin de ambas
para que surtan un efecto en la geometra del material de
trabajo.Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado.La
clasificacin que se utiliza en este libro se basa en el estado del
material de inicio, y tiene cuatro categoras: 1) procesos de
moldeado, en los que el material con que se comienza es un lquido
calentado o semifluido que se enfra y solidifica para formar la
geometra de la pieza; 2) procesos de sinterizado o procesamiento de
partculas, en los que los materiales de inicio son polvos, que se
forman y calientan con la geometra deseada; 3) procesos de
deformacin, en los que el material con que se comienza es un slido
dctil (metal, por lo comn) que se deforma para crear la pieza; y 4)
procesos de remocin de material, en los que el material de inicio
es un slido (dctil o quebradizo), a partir del cual se retira
material de modo que la pieza resultante tenga la geometra que se
busca. En la primera categora, el material de inicio se calienta lo
suficiente para transfor- marlo a un lquido o a un estado altamente
plstico (semifluido). Casi todos los materiales se pueden procesar
de esta manera.Los metales,vidrios cermicos y plsticos pueden
calen- tarse a temperaturas suficientemente elevadas para
convertirlos en lquidos. El material en forma lquida o semifluida
se vaca o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamada molde,
donde se enfra hasta la solidificacin, con lo que adopta la forma
del molde. La mayora de procesos que operan de esta manera se
denominan fundicin o moldeado. Fundicin es el trmino que se emplea
para los metales, y moldeado es el nombre comn usado para plsticos.
En la figura 1.5 se ilustra esta categora de procesos de formado.
En el procesamiento de partculas, el material de inicio son polvos
metlicos o cermicos.Aunque estos dos materiales son muy diferentes,
los procesos para darles forma a partir del procesamiento de
partculas son muy similares. La tcnica comn involucra la presin y
el sinterizado, que se ilustran en la figura 1.6, en las que los
polvos primero se fuerzan hacia una cavidad llamada matriz o dado a
una gran presin, y despus se calientan para unir las partculas
individuales. FIGURA 1.5 Los procesos de fundicin y moldeado
comienzan con un material de trabajo calentado hasta alcanzar un
estado fluido o semifluido. Los procesos consisten en 1) vaciar el
fluido en un molde, y 2) permitir que el fluido se enfre hasta
solidificarse, despus de lo cual la pieza slida se retira del
molde.
27. 14 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura En
los procesos de deformacin, la pieza inicial que se trabaja se
conforma por medio de la aplicacin de fuerzas que exceden la
resistencia del material. Para que el material se forme de este
modo, debe ser suficientemente dctil para evitar que se fracture
durante la deformacin. Para incrementar su ductilidad (y por otras
razones), es comn que antes de darle forma, el material de trabajo
se caliente hasta una temperatura por debajo del punto de fusin.
Los procesos de deformacin se asocian de cerca con el trabajo de
los metales, e incluyen operaciones tales como el forjado y la
extrusin, que se ilustran en la figura 1.7. Los procesos de remocin
de material son operaciones que retiran el exceso de material de la
pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que
resulta tiene la geometra buscada. Los procesos ms importantes de
esta categora son las operaciones de maquinado tales como torneado,
perforado y fresado, que se muestran en la figura 1.8. Estas
operaciones de corte se aplican ms comnmente a metales slidos,y se
llevan a cabo con el empleo de herramientas de corte ms duras y
fuertes que el metal de trabajo. Otro proceso comn de esta categora
es el rectificado. Otros procesos de remocin de material se conocen
como no tradicionales debido a que utilizan lser, haces de
electrones, erosin qumica, descargas elctricas o energa
electroqumica para retirar el material, en vez de herramientas de
corte o rectificado. Cuando una pieza inicial de trabajo se
transforma en una geometra subsecuente, es deseable minimizar el
desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformacin son ms
eficientes que otros, en trminos de conservacin del material. Los
procesos de remocin de materiales (por ejemplo,el maquinado)
tienden a desperdiciar material,tan slo por la forma en que operan.
El material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al
menos en lo referente a la operacin unitaria.Otros procesos,tales
como ciertas operaciones de fundicin y moldeado, con frecuencia
convierten casi el 100% del material con que se comienza en el
producto final. Los procesos de manufactura que transforman casi
todo el material de inicio FIGURA 1.6 Procesamiento de partculas 1)
el material de inicio es un polvo; el proceso usual consiste en 2)
presionar y 3) sinterizar. FIGURA 1.7 Algunos procesos de
deformacin comunes: a) forjado, en los que dos herramentales
llamados dados comprimen la pieza de trabajo, lo que ocasiona que
adopte la forma de los dos dados; y b) extrusin, en la que se
fuerza a una palanquilla a fluir a travs de un dado, por lo que
adopta la seccin transversal del orificio.
28. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 15 en el producto, y no
requieren maquinado posterior para alcanzar la geometra definitiva
de la pieza, se llaman procesos de forma neta. Otros procesos que
requieren de un maquinado mnimo para producir la forma final,
reciben el nombre de procesos de forma casi neta. Procesos de
mejoramiento de una propiedad El segundo tipo principal de
procesamiento de una pieza se lleva a cabo para mejorar las
propiedades mecnicas o fsicas del material de trabajo.Estos
procesos no alteran la forma de la pieza,salvo de manera accidental
en algunos casos. Los procesos ms importantes de mejoramiento de
una propiedad involucran los tra- tamientos trmicos,que incluyen
varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios. El
sinterizado de metales y cermicos pulverizados, que se mencion
antes, tambin es un tratamiento a base de calor que aglutina una
pieza de metal pulverizado y comprimido.
Procesamientodeunasuperficie
Lasoperacionesdeprocesamientodeunasuperficieincluyen 1) limpieza,
2) tratamientos de una superficie, y 3) procesos de recubrimiento y
deposicin de una pelcula delgada.La limpieza incluye procesos tanto
qumicos como mecnicos para retirar de la superficie suciedad,
aceite y otros contaminantes. Los tratamientos de una superficie
incluyen trabajos mecnicos tales como granallado y chorro de
arena,as como procesos fsicos tales como difusin e implantacin de
iones. Los procesos de recubrimiento y deposicin de una pelcula
delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la
pieza que se trabaja. Los procesos comunes de recubrimiento
incluyen la galvanoplastia y anodizacin del aluminio, el
recubrimiento orgnico (llamado pintado), y el barnizado de
porcelana. Los procesos de deposicin de pelcula incluyen la
deposicin fsica y qumica de vapor (PVD, QVD), a fin de formar
recubrimientos de varias sustancias delgadas en extremo. Se han
adaptado varias operaciones severas de procesamiento de superficies
para fabricar materiales semiconductores de los circuitos
integrados para la microelectrnica. Esos procesos incluyen
deposicin qumica de vapor,deposicin fsica de vapor y oxidacin. Se
aplican en reas muy localizadas de la superficie de una oblea
delgada de silicio (u otro material semiconductor) con objeto de
crear el circuito microscpico. 1.3.2 Operaciones de ensamblado El
segundo tipo bsico de operaciones de manufactura es el
ensamblado,en el que dos o ms piezas separadas se unen para formar
una entidad nueva. Dichos componentes se conectan ya sea en forma
permanente o semipermanente.Los procesos de unin permanente
incluyen la soldadura homognea, soldadura fuerte, soldadura blanda,
y unin mediante adhesivos. Forman una unin de componentes que no
puede separarse con facilidad. Los mtodos de ensamblado mecnico
existen para sujetar dos (o ms) partes en una pieza que se puede
FIGURA 1.8 Operaciones comunes de maquinado: a) torneado, en el que
una herramienta de corte de un filo retira metal de una pieza de
trabajo que gira, a fin de reducir su dimetro; b) taladrado, en la
que una broca en rotacin avanza dentro de la pieza de trabajo, con
lo que crea un agujero redondo; y c) fresado, en la que una pieza
de trabajo se hace avanzar por un cortador giratorio con filos
mltiples. Buril de punto sencillo Avance de la herramienta Rotacin
(pieza de trabajo) Pieza de trabajo Dimetro inicial Viruta o
remanente Dimetro final, despus del torneado a) b) c) Broca Pieza
de trabajo Pieza de Trabajo Agujero Avance Avance Rotacin Rotacin
Material removido Fresa de corte
29. 16 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura
desarmar a conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros
sujetadores mecnicos, son mtodos tradicionales importantes de esta
categora.Otras tcnicas de ensamblado mecnico que forman una conexin
permanente incluyen los remaches, ajustes de presin y ajustes de
expansin.Enelensambledeproductoselectrnicos,seempleanmtodosdeuninysujecin
especiales.Algunos de los mtodos son idnticos a los procesos
anteriores o adaptaciones de stos, por ejemplo, la soldadura
blanda. El ensamblado electrnico se relaciona en primer lugar con
el ensamble de componentes tales como paquetes de circuitos
integrados a tarje- tas de circuitos impresos, para producir los
circuitos complejos que se utilizan en tantos pro- ductos de la
actualidad. En la parte VIII se estudian los procesos de unin y
ensamblado, y en la IX, las tcnicas de ensamblado especiales para
la electrnica. 1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas Las
operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de
maquinaria y herramienta (y personas).El empleo extenso de
maquinaria en la manufactura comenz con la Revolucin Industrial.
Fue en esa poca que las mquinas cortadoras de metal se
desarrollaron y comenzaron a utilizarse en forma amplia. Reciban el
nombre de mquinas herramienta que eran mquinas impulsadas por
energa para operar herramientas de corte que antes se usaban con
las manos. Las mquinas herramienta modernas se describen con la
misma definicin bsica, excepto que la energa es elctrica en lugar
de hidrulica o de vapor, y su nivel de precisin y automatizacin es
mucho mayor hoy da. Las mquinas herramienta estn entre las ms
verstiles de todas las que se aplican en la produccin. Se emplean
no slo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino
tambin para elaborar componentes para otras mquinas de la
produccin.Tanto en un sentido histrico como de reproduccin, la
mquina herramienta es la madre de toda la maquinaria.
Otrasmquinasparalaproduccinincluyenprensasparalasoperacionesdeestampado,
martillos forjadores para forjar, molinos de laminacin para la
fabricar lmina metlica, mquinas soldadoras para soldar, y mquinas
de insercin para insertar componentes elec- trnicos en tarjetas de
circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede
al nombre del proceso. El equipo de produccin puede ser de propsito
general o especial. El equipo de propsito general es ms verstil y
adaptable a una variedad de trabajos.Se halla disponible en el
comercio para cualquier compaa manufacturera que quiera invertir en
l. El equipo de propsito especial por lo general est diseado para
producir una pieza o un producto especfico en cantidades muy
grandes. La economa de la produccin en masa justifica las grandes
inversiones en maquinaria de propsito especial a fin de alcanzar
eficiencias elevadas en ciclos cortos de tiempo.sta no es la nica
razn de ser del equipo de propsito especial, pero es la principal.
Otra razn es que el proceso puede ser nico y el equipo comercial no
se encuentre disponible. Algunas compaas con requerimientos nicos
de proceso desarrollan su propio equipo de propsito especial. Por
lo general,la maquinaria de produccin requiere herramientas que se
integren en el equipo para el trabajo de la pieza o producto en
particular. En muchos casos, el herramental debe disearse
especficamente para la configuracin de la pieza o producto.Cuando
se utiliza con equipo de propsito general, est diseada para ser
intercambiable. Las herramientas se sujetan a la mquina para cada
tipo de producto y se fabrica el volumen de produccin. Al terminar,
se cambian las herramientas para el tipo siguiente de producto por
trabajar. Cuando se emplean con mquinas de propsito especial, es
frecuente que las herramientas estn diseadas como parte integral de
la mquina. Debido a que es probable que para la produccin en masa
se empleen mquinas de propsito especial,las herramientas quiz nunca
cambien, excepto para reemplazar componentes usados o reparar
superficies desgastadas. El tipo de herramientas depende del tipo
de proceso de manufactura. En la tabla 1.4 se enlistan ejemplos de
herramientas especiales que se emplean en operaciones diversas. Los
detalles se dan en los captulos en que se estudian los procesos
respectivos.
30. Seccin 1.4/Sistemas de produccin 17 1.4 SISTEMAS DE
PRODUCCIN
Paraoperarconeficacia,unaempresademanufacturadebetenersistemasquelepermitanllevar
a cabo con eficiencia su tipo de produccin.Los sistemas de
produccin consisten en personas, equipos y procedimientos diseados
para combinar materiales y procesos que constituyen las operaciones
de manufactura de la compaa. Los sistemas de produccin se dividen
en dos categoras: 1) instalaciones de produccin, y 2) sistemas de
apoyo a la manufactura. Las instalaciones de produccin se refieren
al equipo fsico y su arreglo dentro de la fbrica. Los sistemas de
apoyo a la manufactura son los procedimientos utilizados por la
compaa para administrar la produccin y resolver los problemas
tcnicos y logsticos que se encuentran en la ordenacin de los
materiales, el movimiento del trabajo por la fbrica, y asegurar que
los productos satisfagan estndares de calidad. Ambas categoras
incluyen personas. Son stas las que hacen que los sistemas
funcionen. En general, la mano de obra directa (trabajadores de
cuello azul) es responsable de operar el equipo de manufactura, y
el personal profesional (trabajadores de cuello blanco) es el
encargado de dar apoyo a la manufactura. 1.4.1 Instalaciones de
produccin Las instalaciones de produccin consisten en el equipo de
produccin y el de manejo de materiales. El equipo entra en contacto
fsico directo con las piezas o ensambles durante su fabricacin. Las
instalaciones tocan el producto. stas tambin incluyen la manera en
que el equipo se acomoda dentro de la fbrica la distribucin de la
planta (layout).Por lo general,el equipo se organiza en
agrupamientos lgicos,llamados sistemas de manufactura, tales como
una lnea de produccin automatizada,o una celda de manufactura que
consiste en un robot industrial y dos o ms mquinas herramienta. Una
compaa de manufactura trata de disear sus sistemas de manufactura y
organizar sus fbricas para que sirvan a la misin particular de cada
planta del modo ms eficiente.A lo largo de los aos, ciertos tipos
de instalaciones de produccin han llegado a ser reconocidos como la
forma ms apropiada de organizar una combinacin dada de diversos
productos y cantidad de produccin, segn se estudi en la seccin
1.1.2. Se requieren instalaciones diferentes para cada uno de los
tres rangos de cantidades anuales de produccin. Produccin de bajas
cantidades En el rango de cantidad baja (1 a 100 unidades por
ao),es frecuente utilizar el trmino taller de trabajo para
describir el tipo de instalacin productiva. Un taller hace
cantidades bajas de productos especializados y personalizados. Es
comn TABLA 1.4 Equipo de produccin y las herramientas que se
emplean para varios procesos de manufactura. Proceso Fundicin
Moldeado Laminado Forjado Extrusin Estampado Maquinado Rectificado
Soldadura Equipo a Mquina de moldeado Molino de laminacin Martillo
o prensa forjadora Prensa Prensa Mquina herramienta Rectificadora
Soldadora Herramientas especiales (funcin) Molde (cavidad para
metal fundido) Molde (cavidad para polmeros calientes) Rodillo
(reduce espesor de la pieza) Dado o matriz (comprime el trabajo
para darle forma) Dado de extrusin (reduce la seccin transversal)
Matrices y punzones (corte y conformacin de lmina metlica)
Herramienta de corte (remocin de material) Accesorio (sujeta la
pieza de trabajo) Gua (sujeta la pieza y gua la herramienta) Rueda
de rectificado (remocin de material) Electrodo (funde el metal que
se trabaja) Sujetador (sujeta las piezas durante la soldadura) a
Tipos distintos de dispositivos y equipos para fundir (vase el
captulo 11).
31. 18 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura que
stos sean complejos, tales como cpsulas espaciales, aviones
prototipo y maquinaria especial. El equipo de un taller de trabajo
es de propsito general y el personal est muy capacitado. Un taller
de trabajo debe disearse para tener flexibilidad mxima a fin de
poder enfrentar las variaciones amplias que se encuentren en el
producto (variedad dura de producto). Si el producto es grande y
pesado, y por tanto difcil de mover, es comn que permanezca en una
sola ubicacin durante su fabricacin o ensamble. Los trabajadores y
el equipo de procesamiento van al producto, en vez de moverlo hacia
el equipo. Este tipo de distribucin se conoce como distribucin de
posiciones fijas, como se ve en la figura 1.9a). En la situacin
pura, el producto permanece en un solo sitio durante toda la
produccin. Algunos ejemplos de tales productos incluyen
barcos,aeronaves,locomotoras y maquinaria