I l l I t S 1! n i l U B l B Di h n i i i M on Manufactura ModernaM A T E R I A L E S , P R O C E S O S Y S IS T E M A S

El campo de la manufactura ha sido redescubierto en Estados Unidos. En respuesta se han introducido nuevos programas y cursos en sistemas de manufactu-a, CAD CAM robotica con una rapidez que no tiene precedentes. Para ayudar a los lectores a mantenerse actualizados este libro tan oportuno enfoca los procesos de manufactura coniuntamente con la cobertura de materiales de ingeniera y sistemas de produccin.

FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Incluye un caudal de caractersticas especiales;

Hace nfasis en la ciencia de la manufactura y en el analisis cuantitativo de los procesos involucrados.

' Ofrece un tratamiento mas uniforme de los materiales de ingeniera (metales, ceramica. polmeros y compuestos) mas bien que un nfasis excesivo en los metales

En cada uno de los cuatro captulos sobre materiales se incluye una seccin de Guia parael procesamiento que identifica los procesos de manufactura principales para un material dado.

En muchas de las secciones de captulos sobre procesamiento, el libro incorpora Consideracionessobre el seo de productos, que presentan guias acerca del diseo para la manufactura.

' Presenta un amplio tratamiento de temas, como el procesamiento de compuestos de polmeros fabricacin de circuitos integrados, ensamble de circuitos impresos, metalurgia de polvos, tecnologa de procesamiento del caucho fabricacin de vidrio, procesos de remocin de materiales no tradicionales y mtodos de ensamblado mecnico.

Ademas las Notas histricas proporcionan un marco historico de referencia para la tecnologa cubierta.

ISBN 968-880-846-6 | ||' 90000 Varson

Educacin

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MATERIALES , PROCESOS Y SISTEMAS

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PrenticeHall MIKELL P. GROO VER

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FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA_________Materiales, Procesos y Sistemas

Mikell P. GrooverProfessor of Industrial and Manufacturing

Systems Engineering Lehigh University

Traduccin: Carlos M. de la Pea GmezIngeniero qumico, Facultad de qumica UNAM

Miguel ngel Martnez SarmientoTraductor

Revisin tcnica: Ing. Francisco J. Sandoval PalafoxIngeniero metalurgistaUniversidad Autnoma MetropolitanaProfesorITESM Campus Estado de Mxico

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nPearsonEducacin

MXICO ARGENTINA 8RAL COLOMBIA COSTA RICA CHILE ESPAA - GUATEMALA ItS- PUERTO RICO VENEZUELA

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EDICIN EN INGLS:

Acqusittons editor: Willarri Stenquist Editonal/production supervisin: Raeia Maes Cover Design: Jeannette Jacobs Buyer Donna Sullivan

GROOVER: FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNAMateriales, Procesos y Sistem as 1a. Ed.

Traducido del ingls de la obra: FUNDAMENTALS OF MODERN MANUFACTURING. Materials. Processes. and System s 1a. Ed.

All rights reserved. Authonzed translation from English language editicn published by Prentice-Hall, Inc. A Simn & Scnuster Company.

Todos los derechos reservados. Traduccin autorizada de la edicin en ingls publicada por Prentice-Hall, Inc. A Simn & Schuster Company.

All rights reserved. No par of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electromc or mechanical, including photocopying. recordlng or by any Info rm ation storage and retneval system, without permission m writing from the publisher.

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio o mtodo sin autorizacin por escrito del editor.

Derechos reservados 1997 respecto a la primera edicin en espaol publicada por PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.A.Calle 4 N 25-2 piso Fracc. Ind. Alce Blanco,N aucalpan de Jurez, Edo. de Mxico,C.P. S3370 IS8N 968-880-846-6

Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Nm 1524

Original English Language Edition Published by Prentice-Hall. Inc. A Simn & Schuster Company. Copyright MCMXCVI All rights reserved

ISBN 0-13-312182-8

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PqOGAAMAS EDUCATIVOS. S. A. 0 C V CALI CHABACANO Ho. f. LOCAL A COL ASTVWASiJ&fd CUAlHTQlOC.c j ocaso, mooco, Of.

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IMPRESO EN MXICO/PRINTED IN MEXICO

ACeorge E. Kane

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ICONTENIDOPrefacio x i i i

Acerca del autor xvii

Sistema de unidades y smbolos usados en este texto xviii

1 INTRODUCCIN 11.1 Qu es manufactura? 31.2 Los materiales en la manufactura 91.3 Procesos de manufactura 121.4 Sistemas de produccin 201.5 Imgenes de la manufactura 24

Parte I Propiedades de los materiales, atributos de los productos y aspectos afines

2 NATURALEZA DE LOS MATERIALES 272.1 La estructura atmica y los elementos 282.2 Enlaces entre tomos y molculas 302.3 Estructuras cristalinas 322.4 Estructuras no cristalinas (amorfas) 382.5 M ateriales de ingeniera 40

3 PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES 433.1 Relaciones esfuerzo-deformacin 443.2 Dureza 573.3 Efecto de la temperatura en las propiedades 613.4 Propiedades de los fluidos 623.5 Comportamiento viscoelstico de los polmeros 65

4 PROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES 734.1 Propiedades volumtricas y de fusin 744.2 Propiedades trmicas 77 www.FreeLibros.com

v i Contenido

4.3 Difusin de masa 794.4 Propiedades elctricas 804.5 Procesos electroqumicos 83

5 DIMENSIONES, TOLERANCIAS Y SUPERFICIES 865.1 Dimensiones, tolerancias y atributos afines 875.2 Superficies 885.3 Efecto de los procesos de manufactura 94

6 FRICCIN, DESGASTE Y LUBRICACIN 996.1 Friccin 996.2 Desgaste 1026.3 Lubricacin 104

Parte II Materiales de ingeniera

7 METALES 1097.1 Aleaciones y diagramas de fase 1107.2 Metales ferrosos 1147.3 Metales no ferrosos 1317.4 Superaleaciones 1437.5 Gua para el procesamiento de metales 145

8 TRATAMIENTO TRMICO DE LOS METALES 1498.1 Recocido 1508.2 Formacin de martensita en el acero 1508.3 Endurecimiento por precipitacin 1548.4 Endurecimiento superficial 1568.5 Mtodos e instalaciones para tratamiento trmico 157

9 MATERIALES CERMICO 1629.1 Estructura y propiedades de los materiales cermicos 1649.2 Cermicos tradicionales 1669.3 Nuevos materiales cermicos 1699.4 Vidrio 1729.5 Algunos elementos importantes relacionados

con los materiales cermicos 7 779.6 Gua para el procesamiento de los materiales cermicos 180

1 0 POLMEROS 183

10.1 Fundamentos de la ciencia y tecnologa de los polmeros 18610.2 Polmeros termoplsticos 79610.3 Polmeros termofijos 204

Contenido v ii

1110.4 Elastmeros 20810.5 Gua para el procesamiento de los polmeros 217

MATERIALES COMPUESTOS 220

11.1 Tecnologa y clasificacin de los materiales compuestos 221

11.2 Compuestos en matriz metlica 23011.3 Compuestos en matriz cermica 23311.4 Compuestos en matriz polimrica 23411.5 Gua para el procesamiento de los materiales compuestos 237

Parte III Fundicin, moldeo y procesos afines

1 2 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIN DE METALES 24012.1 Resumen de la tecnologa de fundicin 24212.2 Calentamiento y vaciado 24412.3 Solidificacin y enfriamiento 248

1 3 PROCESOS DE FUNDICIN DE METALES 26013.1 Fundicin en arena 26113.2 Procesos alternativos de fundicin en moldes desechables 26613.3 Procesos de fundicin en molde permanente 27213.4 Prctica de la fundicin 28113.5 Calidad de la fundicin 28513.6 Metales para fundicin 28713.7 Consideraciones para el diseo de productos 289

14 TRABAJO EN VIDRIO 29514.1 Preparacin y fusin de materias primas 29614.2 Procesos para dar forma en el trabajo del vidrio 29614.3 Tratamiento trmico y acabado 30314.4 Consideraciones para el diseo de productos 305

1 5 PROCESOS DE CONFORMADO PARA PLSTICOS 30815.1 Propiedades de los polmeros fundidos 31015.2 Extrusin 31315.3 Produccin de lminas y pelculas 32315.4 Produccin de filamentos y fibras (hilandera) 32615.5 Procesos de recubrimiento 32715.6 Moldeo por inyeccin 32815.7 Moldeo por compresin y transferencia 33915.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 34115.9 Termoformado 346

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VIH Contenido

16

17

Parte IV

18

19

Parte V

20

15.10 Fundicin (colado) de plstico 35015.11 Procesamiento y formado de espumas de polmeros 35115.12 Consideraciones para el diseo de productos 353

TECNOLOGA DE PROCESAMIENTO DE HULE 360

16.1 Procesamiento y formado del hule 36116.2 Manufactura de llantas y otros productos de hule 36616.3 Consideraciones para el Diseo de productos 371

PROCESOS DE FORMADO PARA MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMRICA 373

17.1 Materias primas para materiales compuestos en matriz polimrica PMC 374

17.2 Procesos en molde abierto 37817.3 Procesos en molde cerrado 38317.4 Embobinado de filamentos 38617.5 Procesos de pultrusin 38817.6 Otros procesos de formado para PMC 390

Procesamiento de partculas para metales y cermicos

METALURGIA DE POLVOS 393

18.1 Caracterizacin de los polvos en ingeniera 39618.2 Produccin de polvos metlicos 39918.3 Prensado convencional y sintetizado 40218.4 Alternativas de prensado y tcnicas de sintetizado 40818.5 Materiales y productos para metalurgia de polvos 41718.6 Consideraciones de diseo en metalurgia de polvos 412

PROCESAMIENTO DE PRODUCTOS CERMICOS Y CERMETS 419

19.1 Procesamiento de productos cermicos tradicionales 42019.2 Procesamiento de nuevos cermicos 42719.3 Procesamiento de Cermets 43019.4 Consideraciones para el diseo de productos 432

Formado de metal y trabajo de metales

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES 435

20.1 Panorama del formado de metales 43620.2 Comportamiento del material en el formado de metales 43820.3 Efecto de la temperatura en el formado de metales 43920.4 Efecto sobre la velocidad de deformacin 44120.5 Friccin y lubricacin 444

Contenido ix

2 1 DEFORMACIN VOLUMTRICA (MASIVA) EN EL TRABAJO DE METALES 447

21.1 Laminado 44821.2 Forjado 45821.3 Extrusin 47521.4 Estirado de alambres y barras 487

2 2 TRABAJADO METLICO DE LMINA 500

22.1 Operaciones de corte 50122.2 Operaciones de doblado 50822.3 Embutido 51322.4 Otras operaciones de formado de lminas metlicas 52022.5 Dados y prensas para procesos con lminas metlicas 52322.6 Operaciones de lminas metlicas no realizadas en prensas 53022.7 Doblado de material tubular 536

Parte VI Procesos de remocin de material

23 TEORA DEL MAQUINADO DE METALES 54323.1 Panorama general de la tecnologa del maquinado 54423.2 Teora de la formacin de viruta en el maquinado de metales 54823.3 Relaciones de fuerza y la ecuacin de Merchant 55223.4 Relaciones entre potencia y energa en el maquinado 55823.5 Temperatura de corte 562

24 TECNOLOGA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE 56824.1 Vida de las herramientas 5 6924.2 Materiales para herramientas 57524.3 Geometra de las herramientas 58424.4 Fluidos para corte 588

2 5 OPERACIONES DE MAQUINADO Y MQUINAS HERRAMIENTA 59525.1 Torneado y operaciones afines 59625.2 Taladrado y operaciones afines 60525.3 Fresado 67 725.4 Centros de maquinado y centros de torneado 6 7 925.5 Otras operaciones de maquinado 62225.6 Forma, tolerancia y acabado superficial 62925.7 Maquinabilidad 63725.8 Seleccin de las condiciones de corte 63925.9 Consideraciones para el diseo del producto en maquinado 645

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X Contenido

26 ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS 65526.1 Esmerilado 65726.2 Procesos abrasivos relacionados 674

2 7 MAQUINADO NO TRADICIONAL Y PROCESOS DE CORTE TRMICO 681

27.1 Procesos de energa mecnica 68227.2 Procesos electroqumicos de maquinado 68627.3 Procesos de energa trmica 69021.4 Maquinado qumico 70027.5 Consideraciones para la aplicacin 706

Procesos de unin y ensamble

FUNDAMENTOS DE SOLDADURA 712

28.1 Panorama de la tecnologa de la soldadura 71328.2 La unin por soldadura 71728.3 La fsica de la soldadura 72028.4 Caractersticas de una junta soldada por fusin 724

PROCESOS DE SOLDADURA 728

29.1 Soldadura con arco elctrico 72929.2 Soldadura por resistencia 73929.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible 74729.4 Otros procesos de soldadura por fusin 75029.5 Soldadura en estado slido 75329.6 Calidad de la soldadura 75829.7 Soldabilidad 76329.8 Consideraciones de diseo en soldadura 764

3 0 SOLDADURA FUERTE, BLANDA Y PECADO CON UNIONES ADHESIVAS 77030.1 Soldadura fuerte (soldadura con latn) 77730.2 Soldadura blanda (soldadura con estao) 77730.3 Uniones adhesivas 781

31 ENSAMBLE MECNICO 78931.1 Sujetadores roscados 79031.2 Remaches y ojetes (u ojillos) 79631.3 Otros mtodos de ajuste mecnico 79831.4 Otros mtodos de ajuste mecnico 80131.5 Insertos de moldeo y sujetadores integrales 80231.6 Diseo para ensamble 803

Parte VII

28

29

i

Contenido x i

Parte VIII Operaciones para el procesamiento de superficies

32 LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS DE SUPERFICIES 8 1 732.1 Limpieza qumica 81232.2 Limpieza mecnica y preparacin de superficies 81532.3 Difusin e implantacin de iones 817

3 3 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Y DEPOSICIN 821

33.1 Chapeado y procesos afines 82233.2 Recubrimientos por conversin 82633.3 Deposicin fsica de vapor 82833.4 Deposicin qumica de vapor 83133.5 Recubrimientos orgnicos 83433.6 Esmaltado en porcelana y otros recubrimientos cermicos 83833.7 Procesos de recubrimiento trmicos y mecnicos 839

Parte IX Tecnologas de manufactura en electrnica

34 PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS 84434.1 Panorama del procesamiento de circuitos integrados 84634.2 Procesamiento del silicio 85034.3 Litografa 85434.4 Procesos de formacin de capas utilizados en la fabricacin

de circuitos integrados 85834.5 Integracin de los pasos de fabricacin 86534.6 Encapsulado de circuitos integrados 86734.7 Rendimiento en el procesamiento de circuitos integrados 872

3 5 ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRNICO 87835.1 Encapsulado de dispositivos electrnicos 87935.2 Tableros de circuitos impresos 88135.3 Ensamble de tableros de circuitos impresos 89035.4 Tecnologa de montaje superficial 89435.5 Tecnologa de conectores elctricos 899

Parte X La automatizacin y los sistemas de produccin

36 LNEAS DE PRODUCCIN 90736.1 Fundamentos de las lneas de produccin 90836.2 Lneas de ensamble manual 9 7 736.3 Lneas de produccin automatizadas 9 7 5

37 AUTOMATIZACIN PROGRAMABLE 92437.1 Control numrico 925

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XII Contenido

37.2 Robtica industrial 9 3 837.3 Controladores lgicos programables 9 4 4

38 TECNOLOGA DE GRUPOS Y SISTEMAS FLEXIBLES DE MANUFACTURA 951

38.1 Tecnologa de grupos 95138.2 Sistemas flexibles de manufactura 957

Parte XI Funciones de apoyo en la manufactura

39 INGENIERA DE MANUFACTURA 96639.1 Planeacin de procesos 9 6 739.2 Solucin de problemas y mejoramiento continuo 97539.3 Diseo para capacidad de manufactura 97639.4 Elaboracin rpida de prototipos 981

40 PLANEACIN Y CONTROL DE LA PRODUCCIN 98540.1 Planeacin de agregados y el programa maestro de

produccin 9 8 740.2 Control de inventarios 9 8 840.3 Planeacin de requerimientos de materiales y de la capacidad 9 9 240.4 Produccin justo a tiempo 99740.5 Control de piso de taller 999

41 MEDICIN E INSPECCIN 100641.1 Metrologa 1 0 0 741.2 Principios de inspeccin 101041.3 Instrumentos de medicin y calibradores convencionales 1 0 1 341.4 Mediciones de superficies 102041.5 Tecnologas avanzadas de medicin e inspeccin 1 0 2 4

42 CONTROL DE CALIDAD 103342.1 Qu es calidad? 10 3 442.2 Capacidad de procesos 1 0 3 542.3 Tolerancias estadsticas 10 3 642.4 Mtodos de Taguchi 1 0 3 942.5 Control estadstico de procesos 10 4 3

INDICE 1053

PREFACIOEl campo de la manufactura ha sido redescubierro en Estados Unidos. Los ejecutivos corporativos, los funcionarios gubernamentales, los administradores universitarios y la prensa popular exaltan su importancia. El sistema de educacin superior responde a este renovado inters con el desarrollo de nuevos programas y cursos en sistemas de manufactura CAD/CAM. robtica y reas conexas. Nuestro propio departamento, en Lehigh University, ha cambiado recientemente su nombre para incluir sistemas de manufactura.

Una de las asignaturas importantes en cualquier universidad es. sin duda, la de procesos de manufactura. Este libro tiene por objeto tratar esta materia. Aunque en el subttulo se lee "M ateriales. procesos y sistemas", el texto cubre principalmente los procesos de manufactura; un 65% se dedica a los procesos, y el 35 % restante se enfoca en panes aproximadamente iguales a los materiales de ingeniera y los sistemas de produccin. El texto es apropiado para varios niveles y planes de estudio de ingeniera. Espero que la cobenura temtica y la organizacin del texto resulte interesante y motive a los instructores de programas de ingeniera mecnica, industrial y de m anufactura. Tambin es un texto apropiado en cursos de ingeniera y tecnologa de los procesos de manufactura. Finalmente, creo que el libro ser til a ingenieros practicantes y otras personas, como referencia sobre la tecnologa de manufactura.

Existen num erosos textos publicados acerca de procesos de m anufactura. Por qu entonces la necesidad de agregar este libro a la lista? Com o profesor nunca estuve satisfecho con ninguno de los textos existentes, he probado casi todos ellos varias veces durante los veinticinco aos que llevo impartiendo la materia. En este libro intento corregir las deficiencias que he observado en esos libros, incorporando las caractersticas distintivas que se mencionan a continuacin:

> nfasis en la ciencia de la m anufactura y anlisis cuantitativo de los procesos de m anufactura.

Un nmero mayor, que en otros textos, de problemas cuantitativos de ingeniera en los captulos de procesos de manufactura

Un tratamiento ms uniforme de materiales de ingeniera metales, cermicos, polmeros y com puestos en lugar del gran nfasis sobre metales que tiende a caracterizar a tos libros actuales sobre materiales y manufactura.

* Captulos completos dedicados a cada uno de los siguientes temas: procesado de materiales compuestos en matriz de polmeros, fabricacin de circuitos integrados, ensamble de circuitos impresos, metalurgia de polvos, tecnologa del procesamiento de hule, trabajo con vidrio, procesos no tradicionales de remocin de materiales y mtodos de ensamble mecnico. Estos temas se cubren muy superficialmente en la mayora de los actuales textos sobre manufactura.

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ACERCA DEL AUTORM ikell P. G roover es profesor de ingeniera industrial y sistemas de manufactura en Lehigh University donde funge a la fecha como Director del laboratorio de tecnologa de manufactura George E. Kane. Recibi los siguientes grados: licenciatura (1961) en Ciencias Aplicadas, licenciatura (1962) en Ingeniera Mecnica, maestra (1966) y doctorado (1969) en Ingeniera Industrial, todos en la Universidad de Lehigh. Es ingeniero profesional registrado en Pennsylvania (desde 1972). Su experiencia industrial abarca varios aos como ingeniero de manufactura con Eastman Kodak Company, asi como consultor para Bethlehem Steel. Ingersoll-Rand, y Air Products & Chemicals. Inc.

Sus reas de enseanza e investigacin incluyen procesos de manufactura, teora de corte de metales, sistemas de produccin, automatizacin, robtica. manejo de materiales, planeacin de instalaciones, y sistemas de trabajo. Ha recibido numerosos premios en Lehigh University. Sus publicaciones incluyen ms de 60 artculos tcnicos y documentos para Industrial Engineering, IIE Transaaions. ASM E Transactions. IEEE Spectrum, International Journal o f Production Research. Enciclopaedia Britannica y otros. Una aficin del profesor Groover es escribir libros de texto sobre diversos temas de manufactura y automatizacin. Sus libros anteriores se utilizan en todo el mundo y han sido traducidos al francs, alemn, espaol, portugus, ruso, japons y chino.

El doctor Groover tiene membresas en la American Society of M echanical Engineers (ASME), en el North American M anufacturing Research Institute (NAMRJ), y en la Society of Manufacturing Engineers (SME); asimismo, es miembro asociado del Institute o f Industrial Engineers (IIE).

O tros libros del a u to r

Automation, Production Systems, and Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall, 1980.CAD/CAM: Computer-Aided Desing and Manufacturing. Prentice Hall, 1984 (coautor con E. W.

Zimmers, Jr.).Industrial Robotics; Technology. Programming, and Application. M cGraw -H ill Book Company,

1986 (coautor con M. Weiss, R. Nagel. y N. Odrcy).Automation. Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, Prentice Hall, 1987.

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UNIDADES ESTNDAR Y SMBOLOS UTILIZADOS EN ESTE LIBROAmbas unidades, el United States Customary System (USCS) y el Systme International (SI), se presentan en ecuaciones y tablas a lo largo del texto. Esto se hace por conveniencia de aquellos instructores que desean usar uno u otro de los sistemas mencionados. Las unidades SI en ecuaciones y tablas se encierran por lo general en parntesis. Los conjuntos de problemas, que se presentan al final de los captulos, incluyen problemas en ambos sistemas. A continuacin se definen: (1) abreviaturas, (2) prefijos para las unidades SI, (3) equivalencias entre los dos sistemas de unidades, (4) procedimientos para convertir de un sistema al otro y (5) smbolos utilizados en el texto.

1. ABREVIATURAS UTILIZADAS PARA LAS UNIDADES: La siguiente tabla presenta las unidades comunes y abreviaturas de los parmetros de ingeniera utilizados en este libro.

P arm etro U n id a d USCS (ab rev ia tu ra ) U n id ad SI (ab rev ia tu ra )Longitud pulgada (pulg), pie (ft) metro (m), milmetro (mm),

kilmetro (km)Masa libra masa (Ib) gramo (g) kilogramo (kg)Tiempo minuto (min), segundo (seg) segundo (s)Fuerza libra fuerza (Ib) Newton (N)Energa, trabajo pie-libra (ft-lb) loule (J)Potencia caballo de fuerza (hp) Watt (W)Presin, esfuerzo libra/pulgada cuadrada (lb/pulg2) Pascal (Pa)Temperatura grados Fahrenheit lF) grados Celsius (C)

2. PREFIJOS DE LAS UNIDADES SI: La siguiente tabla muestra los prefijos ms utilizados para unidades del Systme International (SI). Algunos de estos prefijos se usan tambin en el USCS; por ejemplo, micropulgada (m-pulg).

Prefijo S m b o lo F acto r E jem plonano- n 10*9 nanmetromicro- u 10-* micrmetro, micrnmili- m io -3 milmetrocenti- c io -2 centmetrokilo- k 103 kilogramomega- M 106 mega Pascalgga- G 109 gigaPascal

3.- TABLA DE EQUIVALENCIAS ENTRE UNIDADES USCS Y UNIDADES SI:

Parm etro Equivalencia

Longitud 1.0 pulg = 25.4 mm = 25.4 x K Hm1.0 pie = 12.0 pulg = 0.3048 m = 304.8 mm1.0 yarda = 3.0 pie = 0.9144 m1.0 milla = 5280 pies = 1609.34 m = 1.60934 km1.0 n-pulg = 1.0 x lOr6 pulg = 25.4 x 10"3 Jim

^ rea I 0 pulg.2 = 0 .64516x1(Hm2 = 645.16 mm21.0 pies2 = 144 pulg2 = 92.90 x 10"3 m;

Volumen 1 -0 p u ) g 3 _ 1 6 3 g 7 x i q - s m J = 1 6 3 8 7 m m J1.0 pies3 = 1728 pulg3 = 2.8317 x I0"2 m3

Masa 1.0 libras = 0.4536 kg1.0 toneladas = 2.000 libras = 907.2 kg

Densidad 1.0 libras/pulg3 = 27.68 x 103 kg/m31.0 libras/pies3 = 5.787 x lO*4 libras/pulg3 = 16.0184 kg/m3

Velocidad 1.01.0

Aceleracin 1.0

Fuerza 1.0

Momento de torsin 1.01.0

Presin 1.0

Tensin 1.0

Energa, trabajo 1.01.0

Calor, energa 1.0

Potencia 1.01.0

Calor especfico 1.0

Conductividad trmica 1.0

Expansin trmica 1.0

Viscosidad 1.0

1.0 Btu = 1055 I

4. CONVERSIN ENTRE USCS Y SI: La tabla anterior de equivalencias puede usarse para convertir unidades de un sistema a otro, utilizando los procedimientos descritos y demostrados aqu.

Conversin de USCS a SI: Para convenir el valor de un parmetro en unidades USCS a su equivalente en unidades S I , multiplique el valor a convenir por el miembro derecho de la equivalenciaen el enunciado correspondiente que aparece en la tabla anterior.

Ejemplo: Convierta la longitud L=3.25 pulgadas a su equivalente en milmetros.

Solucin: El enunciado correspondiente a la equivalencia es: 1.0 pulg = 25.4 mm

L = 3.25 pulg x (25.4 m m /pulg) = 82.55 mm

Ejemplo: El calor especfico del aluminio es 0.21 Btu/lb-ffF. Convierta este valor a J/kg-4C en el Systme International.

Solucin: El enunciado correspondiente a la equivalencia es: 1.0 Btu/lbm-F = 4 184 J/kg-'-C

C = 0.21 B tu/lbm -F x (4184 J/kg-C /(B tu/lbm -0F ) | = 878.64 J/kg-C

Conversin de S I a l/SC S: Para convertir el valor de un parmetro en unidades SI a su equivalente en unidades USCS, divida el valor a convertir por el m iembro derecho de la equivalencia en el enunciado correspondiente que aparece en la tabla anterior.

Ejemplo: Convierta el rea 4 = 1000 mm- a su equivalente en pulgadas cuadradas.

Solucin: El enunciado correspondiente a la equivalencia es: 1.0 pulg2 = 646.16 mm-.

A = 1000 m m 2/(645.16 m m 2/pulg) = 1.55 pulg2

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5. LISTA DE SMBOLOS UTILIZADOS EN EL TEXTO: Los siguientes smbolos se usan para representar los trminos y parmetros en las ecuaciones a lo largo del libro. Las unidades son las de uso comn en Estados Unidos, seguidas por las del Systme International en parntesis () . En algunas ocasiones se usa el mismo smbolo en diferentes ecuaciones, sin embargo esta circunstancia ocurre en captulos diferentes en donde hay poca probabilidad de confusin.

,4 rea como subndice en ciertas ecuaciones, pulg2 (mm2)A Distancia de aproximacin en una operacin de maquinado, pulg (mm)

A Grado de anisotropa en ataque qumicoA ngulo usado en algunas ecuaciones; puede ser subndice.

A ngulo de doblez en doblado de lminas metlicasA ngulo incluido, en doblado de lminas metlicasAb ngulo incluido de la herramienta de doblado para lminas metlicasAf rea final de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg2 (mm2)

/40 rea original de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg2 (mm2)A, rea de corte en corte de metales, pulg2 (mm2)A w rea de la seccin recta en soldadura con arco, pulg2 (mm2)a Tolerancia del espacio libre entre el punzn y el dado en operaciones de

corte en lminas metlicas B Nmero de bits en el dispositivo de almacenaje de una computadoraBA Tolerancia del doblez en doblado de lminas metlicas, pulg (mm)b Dimensin de la seccin recta usada en algunas ecuacionesb Capacidad del almacenaje am ortiguador en una lnea de produccin, piezaC Calor especfico, Btu/lb-F (J/kg-C)C Nmero de granos activos por pulgada cuadrada en una rueda de esmerilC Circunferencia o permetro de una seccin recta, pulg (mm)Cb Costo de producin para un lote de productos, $/loteCc Costo por unidad en un ciclo de produccin en maquinado u otros procesos,

$/piezaCg Velocidad de afilado para afilar una herramienta de corte, $/min

Ch Costo de mantenimiento en inventario, S/pieza

C Constante de moldeCm Costos del material por unidad de produccin, S/piezaC Costo de no operacin (por ejemplo: manejo, almacenaje), S/pieza

C0 Costo al operar una mquina o lnea de produccin , incluyendo mano de

obra y equipo, S/minuto, o $/hora Cp Costo por pieza en una operacin de produccin, incluyendo montaje u otros

tiempos improductivos, $/pieza Costo de montaje, S/montaje

C, Costo de la herramienta, S/filo de corteC, Coeficiente del momento de torsin en precargado de un sujetador roscadoCR Resolucin de control en un sistem a de posicionado, pulg (mm)c Espacio libre del dado en el corte de lminas metlicas y operaciones de

embutido, pulg (mm) c Conteo de defectos por unidad de producto o muestraD Dimetro como subndice en ciertas ecuaciones, pulg (mm)D Diagonal de la pirmide de impresin en pruebas de dureza, pulg (mm)

D Coeficiente de difusin de un materialD Tamao de la apertura del dado en doblado de lminas metlicas, pulg (mm)D Densidad de puntos defectuosos en un circuito integradoD Proporcin de tiempo muerto en una lnea de produccin

Da Demanda anual de un producto, unidades/ao

Db Dimetro del baln en pruebas de dureza Brineil. mm

Db Dimetro de una lmina metlica til punzonada, pulg (mm)

D Dimetro de una perforacin en punzonado de lminas metlicas, pulg (mm)

Di Dimetro de indentacin en pruebas de dureza Brineil, mm

D p Dimetro del punzn en embutido de lminas metlicas, pulg (mm)

DR Relacin embutido, en embutido de lminas metlicas

d Alargamiento en operaciones de laminado o estirado de barras, pulg (mm)

d Profundidad del corte en operaciones de maquinado, pulg (mm)d Profundidad o espesor de un enchapado, recubrimiento, o depsito de

pelcula delgada, pulg (mm)d Profundidad de ataque en un proceso de ataque qumico, pulg (mm)d Retraso del equilibrio en el balanceo de una lnea de ensambledc/dx Gradiente de concentracin en difusindm Transferencia de m asa en difusin

^max M ximo alargamiento posible en una operacin de laminado, pulg (mm)E M dulo de elasticidad, lb/pulg2 (MPa)E Voltaje, voltiosE Eficiencia mecnicaE Eficiencia de lnea de produccin = proporcin del tiempo aprovechado en la lnea

Eh Eficiencia del balanceo de lnea.EOQ Cantidad econm ica de pedido, piezas en un pedido o lote

e Deformacin de ingeniera pulg/pulg (mm/mm)e Abreviatura de exponente (exp)e Seal de errorF Frecuencia de paros en una lnea de produccin, paros/ciclo

F Fuerza como subndice en algunas ecuaciones, Ib (N)

F b Fuerza de flotacin, Ib (N)

Fc Fuerza de corte en una operacin de maquinado. Ib (N)

Fe Factor de ataque en maquinado qumico

Fh Fuerza de retencin o agarre en embutido profundo. Ib (N)

Fn Fuerza normal a la fuerza cortante en corte de metal. Ib (N)

Fs Fuerza cortante. Ib (N)

F, Fuerza de empuje en corte de metal, Ib (N)FS Resistencia a la fatiga, lb/pulg2 (MPa)

f Alimentacin o avance en una operacin de maquinado, pulg/rev (mm/rev),

pulg/diente (mm/diente)

fp Velocidad de avance de partes en una lnea manual de produccin,

pieza/min

fp Frecuencia de un tren de pulsos, Hz

f r Velocidad de avance en una operacin de maquinado, pulg/min (mm/min)

/ . Eficiencia de transferencia de calor en soldadura www.FreeLibros.com

f 2 Eficiencia de fusin en soldaduraG Mdulo cortante de elasticidad, lb/pulg2 (MPa)GF Factor G: la fuerza sobre un objeto dividida por su pesoGR Relacin de amolado o afiladog Constante de aceleracin gravitacional, 32.2 pie/seg2 (9.81 m/seg2)H Dureza del materialH Energa calorfica, Btu (watt-seg, o J)H Horas de operacin durante un tum o laboral, hrsHw Calor neto disponible para soldar, Btu (J)

HB Nmero de dureza BrineilHK Valor de dureza Knoop

HP Caballo de fuerza, hpH P, Potencia neta de una mquina, hpHPU Potencia unitaria, hp/(pulg3/min)

HR Velocidad de entrada de energa por fuente de potencia para soldar. Btu/min(J/seg)

HR Nmero de dureza Rockwell: HRA, HRB, HRC son valores para las escalas dedureza Rockwell A, B y C

HRW Gasto de energa calorfica en una operacin de soldado. Btu/min (J/seg)HV Valor de dureza Vickers

h Altura hidrosttica (medida de presin) o de acceso en flujo de fluidos, pulg (mm)h Altura de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm)

ftf Altura final de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm)h Altura original de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm)/ Corriente elctrica, amps

1 Angulo de inclinacin de la rueda reguladora en esmerilado sin centros

i Subndice usado para identificar la secuencia de operaciones de produccin oestaciones de trabajo en una lnea de produccin

i Interferencia en una pieza de agarre automtico, pulg (mm)

j Subndice utilizado para denotar elementos de trabajo en balanceo de lneasK Constante o factor en varias ecuaciones, puede usarse como subndiceK Coeficiente de resistencia

K Difusividad trmica, pulg2/seg (mm2/seg)Kba Factor para estimar la tolerancia de doblado, en doblado de lminas metlicas

Factor para estimar la fuerza de doblado en doblado de lminas metlicas K f Factor para explicar la friccin y/o forma de la pieza en el clculo de la

fuerza de forjado

Kx Factor de la forma del dado en el clculo de la fuerza de extrusink Conductividad trmica, Btu/pulg-hr-F (J/seg-mm-C)K Conductividad trmica relativa, con relacin al cobre = 1.0

L Longitud, amplitud de ejes, o dimensiones similares, pulg (mm)

Lc Longitud de contacto entre el material de trabajo y el dado en estirado,pulg (mm)

Af Longitud final de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm)o Longitud origina] de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm)Lp Longitud del permetro, pulg (mm)

Longitud de una estacin de trabajo en una lnea de produccin, pie (m)

LCL Lmite inferior de control en una grfica de control QC

lc Longitud de la viruta en esmerilado, pulg (mm)

LDR Relacin limitante de estiradoM Nivel de ocupacin en una estacin de trabajo, trabajadores/estacin

M LT Tiempo gua de manufactura, hrsMR Valoracin de la maquinabilidad, expresada en relacin a una base de 1.00MRR Velocidad de remocin de material en maquinado, pulg3/min (mm3/seg)

m Masa, Ib (kg)

N Fuerza normal, Ib (N)N Rapidez de rotacin de un motor, husillo u otro sistema mecnico giratorio,

rev/min; subndice en algunas ecuaciones

N Valor nominal de una dimensinNR Radio de la nariz en una herramienta de corte, pulg (mm)n Exponente de endurecimiento por deformacinn Exponente en la ecuacin de Taylor en la vida de una herramienta

n Nmero de cuerdas por pulgadan Nmero de estaciones de trabajo en una lnea o sistema de produccin

n Nm ero de elementos en una muestrarc Nmero de circuitos o celdas de memoria en un circuito integrado

n Nmero de aberturas en un disco cifrador pticone Nmero de filos cortantes por herramienta de corte o inserto.ne Nm ero mnimo de elementos de trabajo racional en balanceo de lneas

ng Nm ero de veces que puede ser afilada una herramienta de corte

ni0 Nm ero de terminales entrada/salida en un circuito integradonp Nm ero de piezas por herramienta (vida de la herramienta) en maquinadonp Nmero de pulsos recibidos por un motor de pasos o transmitidos por un cifrador

ptico o dispositivo similar n Nmero de ngulos de paso en un motor de pasosn, Nmero de dientes en una herramienta de corte ( por ejemplo, fresa)O D istancia de sobre recorrido en maquinado, pulg (mm)P Potencia, pie-lb/min (N-m/seg, J/seg o W); puede ser subndicePap Proporcin de productos aceptables (rendimiento) producidos en una

mquina automtica de ensamble Pqp Proporcin de ensambles realizados que tienen uno o ms defectos

P, Precio de compra de herramientas, S/herr S/insenoPC Capacidad de produccin de una planta, departamento u otra instalacin,

pieza/sem ana PCI ndice de capacidad de procesosPD Densidad de potencia, Btu/seg-pulg2 (w/mm2)p Presin; subndice en algunas ecuaciones, lb/pulg2 (MPa)

p Paso en un sujetador roscado o tomillo gua, pulg (mm)p Probabilidad (o frecuencia) de falla que cause paro en una estacin de

trabajop Proporcin de defectos en una muestra de tamao n www.FreeLibros.com

Q Cantidad de partes en un lote, pieza/lote; nmero de unidades producidaspor ao. pieza/ao, etctera

Q Velocidad de flujo volumtrico de un fluido, pulg3/seg (m3/seg)Qb Velocidad de flujo a contra presin en extrusin de plsticos, pulg3/seg

(m3/seg)Qd Velocidad de flujo de arrastre de un fluido, pulg3/seg (m3/seg)Q x Velocidad de flujo volumtrico en extrusin de plsticos, pulg3/seg (m3/seg)q Velocidad de deshechos o velocidad de fraccin defectuosa

R Resistencia elctrica, ohmsR Radio, subndice en algunas ecuaciones, pulg (mm)R Rango de una distribucin estadstica, usado en grficas de controlRa Rugosidad real de superficie, media aritmtica, pulg (mm)

Rc Velocidad ideal o terica de produccin, pieza/hrR, Rugosidad ideal de superficie, (media aritmtica) determinada slo por

factores geomtricos, pulg (mm)Rp Rapidez promedio de produccin, pieza/hr

Rq Rugosidad superficial, promedio raz-media-cuadrtica, pulg (mm)r Resistividad elctrica, ohms-pulg (ohm-m)r Relacin de dos valores, frecuentemente como subndice

r Reduccin en tamao en varias operaciones de formadora Relacin de la rugosidad real contra la idealrc Razn del espesor de viruta en corte de metalesrg Relacin del aspecto del grano en esmeriladorg Relacin de engranerr Reduccin del espesor del material en laminado, pulg (mm)

rs Razn de hinchado en extrusin de plsticos (polmeros), pueden usarsesubndices adicionales

rx Relacin de extrusin, rea de la seccin recta original entre el rea finalS Resistencia al corte, lb/pulg2 (MPa)

S Contraccin en moldeo de plsticos, pulg/pulg (mm/mm)

S Nmero de tumos; puede ser subndice, por ejemplo, tumos/semanaSB Retomo elstico en doblado de lminas metlicasSF Factor de seguridad

SR Resolucin espacial para un sistema de posicionado, pulg (mm)

s Deslizamiento en la operacin de laminadosp Espaciamiento entre las partes (distancia de centro a centro) en una lnea de

produccin, pie/unidad (m/unidad)

T Temperatura, F (C); puede ser subndice en algunas ecuacionesT Vida de una herramienta de corte, minuto

T Momento de torsin, lb-pulg (N-m)T Tolerancia; puede ser subndice

Tb Tiempo de procesado de un lote de productos, minuto

Tc Ciclo de tiempo por pieza para una operacin de produccin, min/piezaTd Tiempo perdido promedio por ocurrencia de paro en la lnea, minuto

T'i Tiempo para ejecutar un elemento mnimo de trabajo racional j en una lneade produccin , minuto

Tg Temperatura de transicin vitrea. F (C)Tg Tiempo de afilado de una herramienta de corte, minutoTh Tiempo de manejo (carga y descarga) por pieza de trabajo, min/pieza

T Temperatura de fusin, F (C)Tm Tiempo de maquinado real de una pieza de trabajo, min/piezaT'mx Vida de la herramienta para m xima rapidez de produccin, minutoJ mn Vida de la herramienta para mnimo costo de maquinado, minutoTp Tiempo promedio real de produccin por unidad o pieza, incluyendo el

montaje y otros tiempos improductivos, min/pieza Tr Tiempo para reponer una parte entre estaciones de trabajo, o tiempo de

reposicin del operario en una lnea de ensamble, minuto T Tiempo de servicio, suma de los tiempos elementales ejecutados en una

estacin de trabajo, subndice en ocasiones, minuto

Tsu Tiempo de montaje, min/loteT, Tiempo de tolerancia en una lnea de ensamble manual, minutoT, Tiempo de cambio de herramienta, min/herramientaTu Tiempo ocioso en una estacin de trabajo de una lnea de ensamble debido a

una imperfecta asignacin de los elementos de trabajo, subndice en

ocasiones, minuto7WC Tiempo del contenido total de trabajo, en el trabajo por hacer en una lnea de

produccin, minuto TIC Costo total anual del inventario, S/aoTRS Resistencia a la ruptura transversal, lb/pulg2 (MPa)

TS Resistencia a la tensin, lb/pulg2 (MPa)TST Tiempo de solidificacin total en fundicin, minuto

t Variable tiempo, segundo, minuto u horat Espesor del material, pared, viruta u otras secciones transversales, subndice

en algunas ecuaciones, pulg (mm) tc Espesor de la viruta en maquinado despus del corte, pulg (mm)

/y Espesor final del material despus de la operacin, pulg (mm)

t0 Espesor final del material antes de la operacin, pulg (mm)a Espesor de la viruta en maquinado antes del corte, pulg (mm)

U U tilizacin (del equipo)U Energa unitaria o energa especfica en un proceso, la cual es la energa

necesaria para procesar una unidad en volumen de material por maquinado,

soldadura etc.; puede estar como subndice, pulg-lb/pulg3, Btu/pulg3 (J/m3,

J/mm3)UCL Lmite superior de control en una grfica de control de calidadu Profundidad del grabado en ataque y maquinado qumico, pulg (mm)V Volumen, pulg3 (mm3); usada tambin para proporciones volumtricas en

ciertas ecuaciones, subndice en algunas ecuaciones v Velocidad, como rapidez de corte; subndice en ciertas ecuaciones, pie/min

(m/seg o m/min)v e Velocidad del transportador mvil en una lnea de produccin, pie/min (m/s)

v max Velocidad de corte para m x im a .rapidez de produccin, pie/min (m/min)

vmm Velocidad de corte para costo mnimo, pie/min (m/min)

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v, Velocidad de desplazamiento de la mesa de trabajo, pulg/min (mm/min)

vw Velocidad de la pieza de trabajo en esmerilado (distinta de la velocidad en la ruedade esmerilado v ), pie/min (m/min)

Vjo Velocidad de corte para una vida de la herramienta de 60 min, pie/min(m/min)

W Peso; subndice en ciertas ecuaciones, Ib (Kg)W Ancho en varias ecuaciones, pulg (mm)Wr ndice de soldabilidad relativa

WIP Trabajo en proceso, piezas

WVR Velocidad del volumen soldado, pulg3/min (mm3/seg)

w Ancho de la pieza de trabajo, material, u otro objeto, subndice en algunasecuaciones, pulg (mm)

w Ancho de la viruta cortada en corte de metales, pulg (mm)

w' Ancho de la seccin transversal del grano en esmerilado, pulg (mm)w Nmero de trabajadores en una lnea de produccin

X Media principal (aritmtica) en una distribucin estadstica, como grficas decontrol

Y Rendimiento en un proceso, puede ser subndiceY Resistencia a la fluencia, lb/pulg2 (MPa)

Yf Esfuerzo de fluencia, (esfuerzo real) de un metal, lb/pulg2 (MPa)

Yj Esfuerzo de fluencia promedio (esfuerzo real) de un metal, lb/pulg2 (MPa)y Desviacin vertical con respecto a la superficie nominal en rugosidad

superficial, pulg (mm)

a Angulo de paso en un m otor de pasos o entre aberturas en un disco cifradora Coeficiente de expansin trmica, pulg/pulg/F (mm/mm/C)a ngulo de inclinacin de una herramienta de corte metlicoa ngulo del dado en extrusin o estiradoP ngulo de friccin5 Defleccin del corte

Deformacin real, pulg/pulg (mm/mm)

* Deformacin por extrusin, pulg/pulg (mm/mm)Y Deformacin cortante, pulg/pulg (mm/mm)6 ngulo usado en varias ecuacionesH Coeficiente de friccin

Factor que considera deformacin no homognea en estirado ngulo de corte

p Densidad, lb/pulg3 (g/m m3)

a Esfuerzo real, lb/pulg2 (MPa)

o Desviacin estndar en una distribucin normal de probabilidades0/ Esfuerzo de estirado (real), lb/pulg2 (MPa)O, Esfuerzo de ingeniera, lb/pulg2 (MPa)X Constante de tiempo

x Esfuerzo cortante, lb/pulg2 (Mpa)

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INTRODUCCINC O N T E N ID O DEL CAPTULO

1.1 Q u es m anufac tu ra?1.1.1 D efin ic in d e m an u fac tu ra1 .1 .2 Industrias m an u fac tu re ras y p ro d u c to s1 .1 .3 C ap a c id ad d e m an u fac tu ra

1.2 Los m ateria les en la m an u fac tu ra1.2.1 M etales1 .2 .2 C erm icos1 .2 .3 P olm eros1 .2 .4 C o m p u esto s

1.3 P rocesos d e m an u fa c tu ra1.3.1 O p e ra c io n e s d e p ro c e so1 .3 .2 O p e ra c io n e s d e e n sa m b le1 .3 .3 M q u in as d e p ro d u c c i n y h e rram ien tas

1.4 S istem as d e p ro d u c c i n1.4.1 In s ta laciones p a ra la p ro d u cc i n1 .4 .2 S istem as d e a p o y o a la m anufac tu ra

1.5 Im genes d e la m an u fac tu ra

La m anufactura es una actividad importante desde el punto de vista tecnolgico, econmic e histrico. Se puede definir a la tecnologa como una aplicacin de la ciencia que propo ciona a la sociedad y a sus miem bros aquellos bienes que son necesarios o deseados. Existe numerosos ejemplos de tecnologas que afectan directa o indirectamente nuestra vida diari Considere, por ejemplo, la lista de productos que aparecen en la tabla 1.1; son el resultado c diversas tecnologas que ayudan a nuestra sociedad y a sus miembros a vivir mejor. Qi tienen esos productos en comn? Todos son manufacturas. Estos portentos tecnolgicos r existiran si no hubiera sido posible producirlos. La manufactura es el factor esencial que 1< ha hecho posibles gracias a la tecnologa.

Econmicamente, la m anufactura es un instrumento importante que permite a ui nacin crear riqueza material. Las industrias manufactureras en Estados Unidos represent; cerca del 20% del producto nacional bruto (PNB). Los recursos naturales de un pas, tal www.FreeLibros.com

2 Captulo 1 / Introduccin

TABLA 1.1 Productos rep resen tativos de varias tecnologas, que im pactan en su m ayora a casi todas las personas.

Zapatos para atleta Mquina parlante automtica Bolgrafo Telfono celularReproductor de discos compactos Lentes de contactoSedn deportivo de cuatro puertas con bolsas de aire duales, frenos antifuga, control de crucero, aire

acondicionado, radio AM-FM con seis bocinas, y motor V-6 con 24 vlvulas a la cabeza Calculadora electrnica manual Bombilla de luz incandescente Robot industrial Circuito integradoTelevisor a color de pantalla grandeAparato de diagnstico mdico por imagen de resonancia magntica Horno de microondasSilla de patio de una pieza moldeada en plstico Computadora personal Mquina fotocopiadora Correo electrnicoLatas de bebida con lengeta para abrir Reloj de pulsera de cuarzo Llanta radial de automvil Podadora de csped autopropulsada Avin supersnicoRaqueta de tenis de material compuesto Grabadora de videos Mquina lavadora y secadora

como tierras de cultivo, depsitos de minerales y reservas de petrleo tambin crean riqueza. La agricultura, minera e industrias similares representan en Estados Unidos menos del 5% del PNB. La construccin y obras pblicas constituyen algo ms del 5%. Y el resto son industrias de servicio que incluyen comercio al menudeo, transporte, banca, comunicaciones, educacin y gobierno. El sector servicios cuenta aproximadamente con un 70% del PNB de Estados Unidos. Los servicios gubernamentales por s solos representan casi la misma proporcin del PNB que la del sector m anufacturero, pero dichos servicios no crean riqueza. En la moderna economa internacional, una nacin necesita una slida base m anufacturera (o recursos naturales importantes) si desea tener una economa fuerte con la cual brindar a su pueblo un alto nivel de vida.

Histricamente se ha subestimado la importancia de la manufactura en el desarrollo de las civilizaciones; no obstante, las culturas humanas que han sabido hacer mejor las cosas a lo largo de la historia, han sido las ms exitosas. Haciendo mejores herramientas, se perfeccionaron las arte- samas y las armas; la artesana les perm iti un mejor nivel de vida, las armas les permitieron conquistar a las culturas vecinas en tiempos de conflicto. Una de las grandes ventajas del Norte sobre el Sur en la Guerra civil estadounidense (1861-1865), fue su fortaleza industrial y su habilidad para la fabricacin. En la Segunda Guerra Mundial (1939-1945) Estados Unidos sobrepas a Alemania y Japn en produccin, lo cual fue una ventaja decisiva para ganar la guerra. La historia de la civilizacin ha sido en gran parte, la historia de la habilidad humana para fabricar cosas.

En este primer captulo, tratamos algunos temas generales sobre manufactura. Qu es manufactura? Cmo se organiza en la industria? Cules son los materiales, los procesos y los sistemas con que se realiza la produccin? Nuestro captulo concluye con una coleccin de lminas a color que muestran diversos productos y operaciones de manufactura.

Seccin 1.1 / Qu es manufactura? 3

1.1 QU ES MANUFACTURA?La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (manos) y fa c tu s (hacer); esta com binacin de trminos significa hacer con las manos. La palabra inglesa manufacturing tiene ya varios siglos de antigedad, y la expresin ' hecho a mano describe precisamente el mtodo manual que se usaba cuando se acu la palabra. Gran parte de la moderna manufactura se realiza con maquinaria computarizada y automatizada que se supervisa manualmente (vase la nota hist

rica 1.1).

1.1.1 Definicin de manufacturaLa manufactura, como campo de estudio en el contexto moderno, puede definirse de dos maneras: tecnolgica y econmica. Tecnolgicamente es la aplicacin de procesos qumicos y fsicos que alteran la geometra, las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productos terminados: la manufactura incluye tambin el ensamble de partes mltiples para fabricar productos terminados. Los procesos para realizar la manufactura involucran una combinacin de mquinas, herramientas, energa y trabajo manual, tal como se describe en la figura 1.1 (a). La manufactura se realiza casi siempre como una sucesin de operaciones. Cada una de ellas lleva al material cada vez ms cerca del estado final deseado.

Econmicamente, la manufactura es la transformacin de materiales en artculos de mayor valor, a travs de una o ms operaciones o procesos de ensamble, como se muestra en la figura 1.1 (b). El punto clave es que la manufactura agrega valor al material original, cam biando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. El material original se vuelve ms valioso mediante las operaciones de manufactura que se ejecutan sobre l. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero, se le agrega valor. Cuando la arena se transforma en vidrio, se le agrega valor. Lo mismo sucede cuando el petrleo se refina y convierte en plstico; y cuando el plstico se moldea en una compleja geometra de una silla de patio, se hace an ms valioso.

Las palabras produccin y manufactura se usan frecuentemente en forma indistinta. Produccin, en opinin del autor, tiene un significado ms amplio que manufactura. Se puede decir por ejemplo, produccin de petrleo crudo, pero la frase manufactura de petrleo crudo queda evidentemente fuera de lugar, no obstante, las dos palabras son aceptadas.

FIGURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura: (a) como un proceso tcnico y (b) como un proceso econmico.

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4 Capitulo 1 / Introduccin

Nota histrica 1.1Historia de la manufactura_______________________________________________

L a historia de la manufactura puede dividirse en dos facetas: 1) el descubrimiento e invencin de los m ateriales y procesos para producir bienes y 2) el desarrollo de los sistem as de manufactura. Los m ateriales y procesos para la produccin anteceden a los sistem as de manufactura por varios milenios. Algunos de los procesos como fundicin, martillado (forja) y molienda se remontan a ms de 6000 aos. La incipiente manufactura de armas e implementos se practicaba ms como una artesana que como la manufactura que se conoce hoy en da. Los antiguos romanos tenan lo que podramos llamar fbricas para producir armas, alfarera, objetos de vidrio y otros artculos de la poca, pero los procedimientos se basaban principalmente en la habilidad manual.

Examinemos aqu los aspectos de los sistem as de manufactura y dejemos para la nota histrica 1.2 los materiales y procesos. Los sistem as de manufactura se refieren a la forma de organizar gente y equipos para que la produccin pueda llevarse a cabo con mayor eficiencia. Algunos descubrimientos y sucesos histricos destacan por haber tenido un impacto importante sobre el desarrollo de los sistem as modernos de fabricacin.

Un descubrimiento im portante fue seguram ente el principio de la divisin del traba\o que distribuye el trabajo total en tareas, y permite a los trabajadores especializarse en el desempeo de una sola tarea. Este principio se haba practicado por siglos, pero se atribuye al economista Adam Smith (1723-1790) haber explicado por primera vez su importancia econmica

La Revolucin industrial (1760-1830) tuvo un impacto im portante sobre la produccin en varios sentidos. Marc el cambio de una economa basada en la agricultura y las artesanas a otra apoyada en la industria y la manufactura. El cambio se inici en Inglaterra donde tuvo lugar la invencin de una serie de m quinas que reemplazaron la fuerza del agua, del viento y de los animales de tiro por la fuerza del vapor. Estos adelantos dieron a la industria britnica ventajas im portantes sobre otras naciones; no obstante que Inglaterra intent restringir la exportacin de las nuevas tecnologas, la Revolucin Industrial se extendi eventualm ente a otros pases europeos y a Estados Unidos. Este hecho histrico contribuy al desarrollo de la manufactura con las siguientes aportaciones: I) la mquina de vapor de Watt, una nueva tecnologa generadora de fuerza motriz para la industria: 2) el desarrollo de mquinas herramienta, que se inicia con la mquina de taladrar de lohn Wilkinson alrededor de 1775 (vase nota histrica 25 1); 3) la invencin de la mquina de hilar, el telara motor, y otros equipos para la industria textil que permitieron aum entos im portantes de productividad; y 4) el sistema de fabricacin, una nueva manera de organizar grandes grupos de trabajadores basada en el principio de la divisin del trabajo.

Mientras Inglaterra tom aba la delantera en la Revolucin Industrial, en Estados Unidos se introduca un concepto im portante: la manufactura de partes intercambiables. Se ha dado todo el crdito de esta idea a Eli Whitney (1765-1825). aunque su importancia haya sido reconocida por otros |8 |. En 1797. Whitney consigui un contrato para producir 10,000 m osquetes para el gobierno de Estados Unidos. La manera tradicional de hacer rifles en esa poca consista en fabricar a la medida cada parte del rifle particular, el ensamble se haca a mano y el ajuste mediante limado Cada m osquete era nico, y el tiempo para fabricarlos era considerable. Whitney pens que los com ponentes podran hacerse con la precisin suficiente para permitir ensamblar las partes sin necesidad de ajustes. Despus de varios aos de desarrollo en su fbrica de Connecticut, viaj a Washington en 1801 para dem ostrar el principio. Coloc ante funcionarios del gobierno, incluyendo a Thomas lefferson. los com ponentes para 10 mosquetes, y procedi a seleccionar al azar las partes para armarlos. No requiri ningn limado ni ajuste especial y los m osquetes funcionaron perfectamente. El secreto de su xito era el conjunto de mquinas especiales, accesorios y calibradores que haba desarrollado en su fbrica. La manufactura de partes intercam biables requiri muchos aos de desarrollo antes de llegar a ser una realidad prctica, sin em bargo revolucion los mtodos de manufactura al grado de convertirse

Seccin 1.1/ Qu es manufactura? 5

en un prerrequisito para la produccin masiva. Debido a que se origin en Estados Unidos, la produccin de partes intercam biables vino a ser conocida como el Sisenta americano de manufactura.

La segunda mitad de siglo XIX atestigu la expansin de los ferrocarriles, los buques de vapor y otras mquinas que generaron una necesidad creciente de hierro y acero. Se desarrollaron nuevos mtodos de produccin de acero para satisfacer esta dem anda (vase nota histrica 7.1). Tambin durante este periodo se desarrollaron varios productos de consumo como la mquina de coser, la bicicleta y el automvil. Para satisfacer la dem anda masiva de estos productos se requirieron m todos de produccin ms eficientes. Algunos historiadores identifican los desarrollos durante este periodo como la Segunda Revolucin Industrial caractenza- da en trminos de sus efectos sobre los sistem as de manufactura por lo siguiente-, I) produccin en masa. 2) movimiento de administracin cientfica, 3) lneas de ensam ble y 4 ) electrificacin de las fbricas.

A finales del siglo XIX, se desarroll en Estados Unidos el movimiento de administracin cientfica como respuesta a la necesidad de planificar y controlar las actividades de un nmero creciente de trabajadores de la produccin. El movimiento fue iniciado por Frederick W Taylor (1856-1915), Frank Gilbreath (1868-1924), su esposa Lillian (1878-1972) y otros. Los aspectos caractersticos de la adm inistracin cientfica fueron I ) el estudio de movimientos, destinado a buscar el mejor mtodo para realizar una tarea. 2 ) el estudio de tiempos para establecer estndares de trabajo para un puesto, 3) la utilizacin generalizada de estndares en la industria. 4) el sistema de pagos a destajo con planes similares de incentivo al trabajo; y 5) uso de la recopilacin de datos, el mantenim iento de registros y la contabilidad de costos en las operaciones de fbrica

Henry Ford (1863-1947) introdujo la lnea de ensam ble en 1913 en su planta de Highland Park (vase la nota histrica 36.1). La lnea de ensamble hizo posible la produccin masiva de productos complejos de consumo. El uso de los mtodos de ensamble en lnea permitieron a Ford vender un automvil m odelo T a slo 500 dlares, poniendo ai alcance de un gran segmento de la poblacin am ericana la posibilidad de poseer un automvil.

Hacia 1881, se haba construido en la ciudad de Nueva York la primera estacin generadora de electricidad, y pronto los m otores elctricos se comenzaron a usar como fuentes de poder para operar la maquinaria de las fbricas. ste era un sistem a de distribucin de energa mucho ms conveniente que las mquinas de vapor que requeran bandas en el techo para transm itir el movimiento a las mquinas. Hacia 1920 la electricidad haba desplazado al vapor como fuente principal de fuerza motriz en las fbricas americanas.

En el siglo XX han tenido lugar ms adelantos tecnolgicos que en todos los dem s siglos juntos. Muchos de estos desarrollos han dado por resultado la automatizacin de la manufactura. Podramos mencionar algunos de los tem as que se tratan en otras notas histricas de este libro: lneas de transferencia, control numrico, robtica industrial, controladores lgicos programables y sistem as flexibles de manufactura.

1.1.2 Industrias manufactureras y productos

Aunque la manufactura es una actividad importante, no se lleva a cabo por s misma. Se realiza como una actividad comercial por parte de las compaas que venden sus productos a los consumidores. El tipo de manufactura que maneja una compaa depende de la clase de productos que fabrica. Se puede explorar esta relacin si examinamos primero los tipos de industrias de manufactura, e identificamos despus los productos que elaboran.

Industrias manufactureras Son empresas y organizaciones que producen o abastecen bienes y servicios, pueden clasificarse como primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias son aquellas que cultivan y explotan los recursos naturales, tales como la agricultura y la minera.

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6 Captulo 1 / Introduccin

Las industrias secundarias adquieren los productos de las industrias primarias y los convierten en bienes de consumo o de capital. La actividad principal de las industrias en esta categora es la manufactura, incluyendo tambin la construccin y las instalaciones para la produccin de energa. Las industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economa. En la tabla 1.2 se presentan las listas de industrias especficas en cada categora.

TABLA 1.2 Industrias especficas en las ca tego ras prim aria, secundaria y terciaria , sobre la base aproxim ada a la International S tandard Industrial C lassification (ISIC) usada por N aciones U nidas.

Prim arias S e cu n d a ria s T e rc ia rias (servicios)

Agricultura Aerospacial BancaForestal Bisutera y accesorios ComunicacionesPesca Automotriz EducacinGanadera Metales bsicos EntretenimientoCanteras Bebidas Servicios financierosMinera Materiales para la construccin GobiernoPetrleo (extraccin) Productos qumicos Salud y servicios mdicos

Computadoras HoteleraConstruccin InformacinEnseres domsticos SegurosElectrnica Servicios legalesEquipo Bienes racesMetales habilitados Reparacin y mantenimientoProcesamiento de alimentos RestaurantesVidrio y cermica Comercio al detalleMaquinaria pesada TurismoPapel TransporteRefinacin de petrleo Productos farmacuticos Plsticos (formado)Instalaciones de generacin de energaPublicidadTextilesLlantas y productos de hule Madera y muebles

Comercio al mayoreo

En este libro nos interesan las industrias secundarias (columna central en la tabla 1.2); donde se encuentran clasificadas las compaas dedicadas a la manufactura; sin embargo, la International Standard Industrial Classification (ISIC) utilizada para recopilar la tabla 1.2 incluye varias industrias cuyas tecnologas de produccin no se cubren en este texto, por ejemplo: bebidas, productos qumicos y procesamiento de alimentos. En este libro la palabra manufactura significa la produccin de equipo y herramientas, lo cual comprende desde tuercas y tomillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen tambin productos cermicos y plsticos, pero se excluyen: ropa, confeccin, bebidas, productos qumicos, alimentos, y por supuesto programas de computacin. Nuestra pequea lista de industrias manufactureras aparece en la tabla 1.3.

Productos manufacturados Los productos fabricados por las industrias que aparecen en la tabla 1.3 pueden dividirse en dos clases principales: bienes de consumo y bienes de capital. Los bienes de consumo son los productos que compran directamente los consumidores, tales como automviles, televisores, computadoras personales, llantas y raquetas de tenis. Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compaas para producir bienes o servicios. Ejemplos de bienes de capital son los aviones, las macro computadoras, los equipos de ferrocarril, las mquinas herramientas y el equipo de construccin.

A Lm ina 1

Avin comercial Boeing 777 (foto cortesa de Boeing Commercial Airplane Group).

Lm ina 2

Un m icroprocesador Intel, circuito integrado de alta densidad (foto cortesa de Intel Corporation).

< Lm ina 3

Un hom o a ms de 1800 F (1000 C) resplandece al rojo mientras espera las obleas de silicio para ser cocidas. Los circuitos integrados de la lmina 2 son procesados en estas delgadas obleas de silicio puro (foto cortesa de Intel Corporation).

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Lm ina 12 Y

Porcin de una lnea de ensamble final de automviles. En estas lneas producen carros a razn de uno por minuto aproximadamente (foto cortesa de Chrysler Corporation).

4 Lm ina 10

O peracin manual de soldadura con arco (foto cortesa de Lincoln Electric Company).

Y Lm ina 11

Operacin autom tica de soldadura por puntos ejecutada por un robot industrial

Seccin 1 .1 / Qu es manufactura? 7

TABLA 1.3 Industrias m anufactureras cuyos sistem as y p rocesos quedan p robab lem ente inclu idos en este libro.

Industria Productos tpicos

Aerospacial Aviones militares y comercialesAutomotriz Automviles, camiones, autobuses y motocicletasMetales bsicos Hierro y acero, aluminio, cobreComputadoras Macros y microcomputadorasEnseres domsticos Aparatos para el hogar grandes y pequeosElectrnica Televisores, videograbadoras y equipos de audioEquipo Maquinaria industrial, equipo ferrocarrileroMetales habilitados Partes maquinadas, estampados metlicos, herramientasVidrio, cermica Productos vitreos, herramientas cermicas, lozaMaquinaria pesada Mquinas herramienta, equipo de construccinPlsticos (formado) Plsticos moldeados, extrusionesLlantas y productos de hule Llantas, suelas de hule, pelotas de tenis

Adems de las industrias que elaboran productos finales, ensamblados comnmente, existen otras cuyo negocio consiste principalmente en la produccin de materiales, componentes y suministros para las compaas que hacen los productos finales. Ejemplos de estos componentes incluyen lminas y barras de acero, metales estampados, partes maquinadas, molduras plsticas, buriles, dados, moldes y lubricantes. A grandes rasgos, se puede observar que el sector manufacturero es una compleja infraestructura que rene varias categoras y segmentos de proveedores intermedios que por lo general nunca conoce el consumidor final.

Los productos con los que estamos generalmente involucrados en este libro son artculos discretos, partes individuales y productos ensamblados ms que materiales producidos en procesos continuos. Un estampado metlico es un artculo discreto, pero el rollo de lmina metlica con el cual se hace es continuo. M uchas partes discretas comienzan como productos continuos o semi- continuos, tal es el caso de materiales extruidos, cables elctricos, o secciones hechas en longitudes casi continuas que se cortan al tamao deseado. Una refinera de petrleo es el mejor ejemplo de un proceso continuo.

Cantidad de produccin y variedad de productos La cantidad de productos hechos por una fbrica influye significativamente sobre la forma en que sta organiza su personal, sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades anuales de produccin pueden clasificarse en tres categoras: 1) baja produccin comprendida en un rango que va de 1 a 100 unidades por ao, 2) produccin media en el intervalo de 100 a 10,000 unidades por ao y 3) alta produccin de 10,000 a varios millones de unidades anuales. Los lmites entre categoras son en cierta forma arbitrarios (a ju ic io del autor); se puede modificar su orden de magnitud, dependiendo de la clase de productos.

La cantidad de produccin se refiere al nmero de unidades de un solo tipo producidas anualmente. Algunas plantas producen diferentes tipos de artculos hechos en cantidades medias o bajas, otras ms se especializan en la alta produccin de un solo tipo de producto. Es interesante identificar a la variedad de productos como un parmetro distinto de la cantidad de produccin. La variedad de productos se refiere a los diferentes diseos o tipos de productos fabricados en una planta. Productos distintos, tanto en forma como en tamao, desempean funciones diferentes y se destinan a diferentes mercados, algunos tienen ms componentes que otros y as sucesivamente. Puede contarse el nmero de los diferentes tipos de productos que se hacen cada ao, si este nmero es alto significa una alta variedad de produccin.

En trminos de las operaciones de fbrica existe una correlacin inversa entre la variedad de productos y la cantidad de produccin. Si la variedad de productos de una fbrica es alta, es probable que su cantidad de produccin sea baja; pero si su cantidad de produccin es alta, entonces

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1 O Captulo 1 / Introduccin

Compuestosmetal-polmeros

Compuestoscermico-polmeros

FIGURA 1.3 Diagrama de Venn mostrando los tres tipos bsicos de materiales y los materiales compuestos.

existe otra: 4 ) materiales compuestos, los cuales son mezclas no homogneas de los otros tres tipos bsicos de materiales, en lugar de una categora nica. La relacin de los cuatro grupos se muestra en la figura 1.3. En esta seccin describimos estos materiales, pero en los captulo 7 al 11 estudiamos los cuatro tipos de materiales en forma ms detallada.

1.2.1 MetalesLos metales usados en la manufactura son comnmente aleaciones, las cuales estn compuestas de dos o ms elementos, en donde por lo menos uno es metlico. Los metales pueden dividirse en dos grupos: 1) ferrosos y 2 ) no ferrosos.

M etales fe rro sos Los metales ferrosos se basan en el hierro; el grupo incluye acero y hierro colado; stos constituyen el grupo de materiales comerciales ms importantes y comprende ms de las tres cuartas partes del tonelaje de metal que se utiliza en todo el mundo. El hierro puro tiene poco uso comercial; pero aleado con el carbn tiene ms usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbn pueden formar acero y hierro colado.

El acero es la categora ms importante dentro del grupo de metales ferrosos; puede definirse como una aleacin de hierro y carbono que contiene de 0.02 a 2. 11% de carbono como mximo. Su com posicin incluye frecuentem ente otros elem entos como manganeso, crom o, nquel y molibdeno para m ejorar las propiedades del metal. El acero tiene aplicaciones en la industria de la construccin (puentes, perfiles estructurales y clavos), en el transporte (cam iones, rieles y material lam inado para ferrocarriles), y en productos de consumo (autom viles y aparatos). Las razones de la popularidad del acero son: l)buena resistencia mecnica, 2) relativo bajo costo entre los m etales y 3 ) facilidad de procesado en una gran variedad de procesos de m anufactura.

El hierro colado es una aleacin de hierro y carbn (2 a 4%) que se utiliza en fundicin (principalmente fundicin en arena). En esta mezcla tambin se encuentra presente el silicio (en cantidades desde 0.5 a 3%), y frecuentemente se agregan otros elementos para obtener propiedades deseables en el producto final. El hierro colado se encuentra disponible en diferentes formas, de las cuales el hierro colado gris es la ms comn; sus aplicaciones incluyen la fabricacin de monoblo- ques y cabezas para motores de combustin interna.

M etales no fe rro sos Los metales no ferrosos comprenden los otros elementos metlicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones son ms importantes que los m etales puros comercialmente hablando. Los metales no ferrosos incluyen las aleaciones y los metales puros

Seccin 1.2 / Los materiales en la manufactura 11

de aluminio, cobre, oro, magnesio, nquel, plata, estao, titanio, zinc y otros metales. Entre los ms fciles de procesar estn el aluminio; y entre los ms difciles, el nquel y el titanio.

1.2.2 CermicosUn material cermico se define comnmente como un compuesto que contiene elementos m etlicos (o semimetlicos) y no metlicos. Los elementos no metlicos tpicos son el oxgeno, el nitrgeno y el carbn. Algunas veces se incluye en la familia de los materiales cermicos al diamante, el cual no se ajusta a la definicin anterior.

Los materiales cermicos abarcan una gran variedad de materiales tradicionales y modernos. Entre los materiales tradicionales que se han usado por miles de aos se encuentran: el barro, cuya disponibilidad en la naturaleza es abundante, y est compuesto por finas partculas de silicatos hidratados de aluminio y otros minerales, el cual se usa para hacer ladrillos, tejas y alfarera: la slice (Si02), base de casi todos los productos de vidrio; la almina (A 120 3) y el carburo de silicio, dos materiales abrasivos usados en procesos de esmerilado.

Los materiales cermicos modernos incluyen algunos de estos materiales, como la almina, cuyas propiedades se mejoran de varias formas mediante mtodos modernos de proceso. Los materiales cermicos ms nuevos incluyen carburos de metales, como el carburo de tungsteno y el carburo de titanio que son empleados ampliamente en la fabricacin de buriles, y los nitruros metlicos y semimetlicos como el nitruro de titanio y el nitruro de boro que se usan como herramientas de corte y abrasivos.

Los materiales cerm icos pueden dividirse para propsitos de proceso en: 1) cermicos cristalinos y 2) vidrios. Se requieren diferentes mtodos de manufactura para los dos tipos. Los materiales cerm icos cristalinos son formados de diversas maneras a partir de polvos y luego se sin- terizan (se calientan a una temperatura por debajo del punto de fusin para aglutinar y endurecer los polvos). Los materiales vitreos (vidrio) pueden derretirse, vaciarse y luego formarse mediante procesos como el tradicional soplado de vidrio.

1.2.3 PolmerosUn polmero es un com puesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyos tomos comparten electrones para formar molculas muy grandes. Los polmeros estn constituidos generalmente por carbn y otros elementos como hidrgeno, nitrgeno, oxgeno y cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras:

1) Polmeros term oplsticos. Los term oplsticos pueden som eterse a m ltiples ciclos de calentam iento y enfriam iento sin alterar sustancialm ente la estructura m olecular del polmero. En esta categora podem os m encionar al polietileno, poliestireno, cloruro de poli- vinilo y nylon.

2) Polmeros term ofijos. Estas molculas se transform an qum icam ente (se curan) en una estructura rgida cuando se enfran despus de una condicin plstica por calentam iento, de aqu el nom bre de term ofijo. Algunas sustancias de esta fam ilia son las resinas fen- licas, am inorresinas y resinas epxicas. Aunque se usa el trm ino term ofijo. algunos de estos polm eros se curan m ediante m ecanismos no trmicos.

3) Elastmeros. Estos polm eros exhiben un com portam iento elstico im portante, de aqu el nombre de elastm ero. En esta categora se encuentra el hule natural, el neopreno. las sili- conas y el poliuretano.

1.2.4 CompuestosLos materiales com puestos no constituyen realmente una categora separada de los materiales; sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material compuesto se logra

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Captulo 1 / Introduccin

Cantidad de produccin discretos.

su variedad de productos ser baja. Esta relacin se representa en la figura 1.2. Las plantas m anufactureras tienden a situarse en una combinacin de cantidad y variedad de productos que cae en algn lugar dentro de la banda diagonal de dicha figura.

Aunque hayamos definido la variedad de productos como un parmetro cuantitativo (nmero de tipos de productos hechos por la planta), este parmetro es mucho menos exacto que la cantidad de produccin, porque los detalles de las diferencias entre los diversos diseos no se detectan simplemente por el nmero de diseos diferentes. Las diferencias entre un automvil y un acondicionador de aire son mucho ms grandes que las que existen entre un acondicionador de aire y una bomba de calor. Adems, dentro de cada tipo de producto existen diferencias entre modelos especficos.

Los productos pueden ser diferentes, pero la magnitud de las diferencias puede ser pequea o grande. La industria automotriz ofrece algunos ejemplos que ilustran este punto. En Estados Unidos, cada empresa automotriz produce automviles con dos o tres diferentes marcas en la misma planta ensambladora, aunque los estilos de carrocera y otros aspectos de diseo sean virtualmente los mismos. Otras compaas construyen camiones pesados en plantas diferentes. Podramos usar los trminos suave y fuerte para describir estas diferencias en la variedad de productos. La variedad de producto suave ocurre cuando existen diferencias pequeas entre productos, como las que existen entre modelos de automviles fabricados en la misma lnea de produccin. La variedad suave en un producto ensamblado se caracteriza por la alta proporcin de partes comunes entre los diferentes modelos. En la variedad de producto fuerte, los tipos difieren considerablemente y hay pocas o ninguna parte comn; como sucede entre un automvil y un camin. La eficacia de una compaa o planta para enfrentar una gran variedad de productos depende en gran medida de su habilidad para lograr una variedad de producto suave, es decir, minimizar las diferencias verdaderas entre sus productos.

.3 Capacidad de manufactura

Una planta de manufactura consiste en un conjunto de procesos y sistemas (y desde luego trabajadores) diseados para transformar una cierta clase limitada de materiales en productos con valor agregado. Estos tres pilares materiales, procesos y sistemas constituyen la esencia de la m anufactura moderna. Existe una gran interdependencia entre estos factores. Una empresa dedicada a la manufactura no lo puede hacer todo; sin embargo tiene que realizar slo ciertas cosas y debe hacerlas bien. La eficacia de la manufactura se refiere a las limitaciones fsicas y tcnicas de la em presa manufacturera y de cada una de sus plantas. Podemos identificar varias dimensiones de esta capacidad y aptitud: 1) capacidad y aptitud tecnolgica de proceso, 2 ) tamao fsico y peso del producto, y 3) capacidad de produccin.

Seccin 1.2 / Los materiales en la manufactura 9

Capacidad tecnolgica de proceso La capacidad tecnolgica de proceso de una planta es el conjunto de procesos de manufactura del cual dispone una empresa. Algunas plantas realizan operaciones de maquinado, otras laminan lingotes de acero convirtindolos en lminas, y algunas ms construyen automviles. Un taller de maquinado no puede laminar acero y el de laminacin no puede construir carros. La caracterstica fundamental que distingue a estas plantas son los procesos que pueden realizar. La capacidad tecnolgica de proceso est relacionada estrechamente con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se adaptan a ciertos materiales, mientras que otros procesos se adaptan a otros materiales. Al especializarse en algn proceso o grupos de procesos, la planta se especializa simultneamente en un cierto tipo de material.

La capacidad tecnolgica de proceso incluye no solamente los procesos fsicos, sino tambin la pericia que tiene el personal de planta en dichas tecnologas de proceso. Las compaas estn limitadas por los procesos de que disponen. Por eso deben concentrarse en el diseo y manufactura de los productos para los que su capacidad tecnolgica de proceso les permita una ventaja com petitiva.

Limitaciones fsicas de! producto Un segundo aspecto de la capacidad y aptitud de manufactura es el que impone el producto fsico. En una planta con un cierto conjunto de procesos existen limitaciones sobre el peso y tamao de los productos que puede* manejarse; los grandes y pesados son difciles de mover, se requieren grandes gras puente. La planta debe estar equipada con gras de la capacidad de carga necesaria para mover los productos. Las panes y productos pequeos hechos en grandes cantidades pueden manejarse con transportadores u otros medios. La limitacin sobre el tamao y peso de los productos se extiende tambin a la capacidad fsica de los equipos de manufactura. Las mquinas de produccin se disean en diferentes tamaos: las ms grandes pueden usarse para procesar piezas grandes. De aqu que el conjunto de equipos de produccin, manejo de materiales, capacidad de almacenamiento y tamao de planta tenga que planearse para productos que entran dentro de un cierto rango de tamao y peso.

Capacidad de produccin Una tercera limitacin sobre la capacidad y aptitud de la planta es la cantidad de produccin que puede ser generada en un periodo establecido (mes o ao por ejemplo). Esta limitacin en cantidad es llamada comnmente capacidad de planta o capacidad de produccin, y se define como la mxima velocidad de produccin que una planta puede lograr bajo condiciones dadas de operacin. Las condiciones de operacin se refieren al nmero de tumos de trabajo por semana, horas por tumo, niveles de mano de obra directa en la planta, etctera. Estos factores representan insumos de la planta manufacturera. Dados estos insumos, cunta produccin puede generar la planta?

La capacidad de la planta se mide generalmente en trminos de unidades producidas, tales como toneladas de acero producidas por una acera, o el nmero de carros producidos por una planta ensambladora. En estos casos los productos son homogneos: en otros, donde las unidades producidas no son homogneas, hay factores ms apropiados de medida como las horas hombre de capacidad disponible en un taller mecnico que produce una variedad de partes.

Los materiales, procesos y sistemas son los pilares de la manufactura y las tres grandes reas de este libro. Permtasenos ofrecer un panorama general de estas materias.

1.2 LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA

La mayora de los materiales de ingeniera pueden clasificarse en una de las tres categoras bsicas:1) metales, 2) productos cermicos y 3) polmeros; tanto sus caractersticas qumicas como sus propiedades fsicas y mecnicas son diferentes; estas diferencias afectan los procesos de manufactura que se usan para transformarlos en productos finales. Adems de estas tres categoras bsicas www.FreeLibros.com

1 2 Captulo 1 / Introduccin

comnmente con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego se unen para lograr propiedades superiores a los de sus constituyentes. El trmino fase se refiere al procesamiento de una masa de material homogneo, como un agregado de granos con idntica estructura celular unitaria en un metal. La estructura usual de un material compuesto est formado por partculas o fibras de una fase mezcladas con una segunda fase llamada matriz.

Los materiales com puestos se encuentran en la naturaleza (madera, por ejemplo) y pueden tambin producirse sintticamente. Estos ltimos son los que nos interesan; comprenden fibras de vidrio en matriz de polm ero como los plsticos reforzados con fibras; fibras de polmero de una clase en matriz de un segundo tipo de polmero, como los compuestos epoxy-Kevlar; y materiales cermicos en matriz metlica, como carburo de tungsteno en una cubierta de cobalto para formar un buril de carburo cementado.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentes, de la forma fsica de dichos componentes y de la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos materiales compuestos combinan alta resistencia con peso ligero y son apropiados para utilizarse como componentes de aviones, carroceras de automviles, cascos de botes, raquetas de tenis y caas de pesca; otros son fuertes, duros y capaces de mantener estas propiedades a tem peraturas elevadas, como por ejemplo los buriles de carburo cementado.

1.3 PROCESOS DE MANUFACTURA

Los procesos de m anufactura pueden dividirse en dos tipos bsicos: 1) operaciones de proceso y 2) operaciones de ensamble. U na operacin de proceso transforma un material de trabajo de una etapa a otra ms avanzada, que lo sita cerca del estado final deseado para el producto. Esto le agrega valor al cambiar la geometra, las propiedades o la apariencia del material inicial. Por lo general, las operaciones de proceso se ejecutan sobre partes discretas de trabajo, pero algunas de ellas se aplican tambin a artculos ensamblados. Una operacin de ensamble une dos o ms componentes para crear una nueva entidad llamada ensamble, subensamble o cualquier otra manera que se refiera al proceso de unir (por ejemplo a un ensamble soldado se le llama conjunto soldado). En la figura1.4 se presenta una clasificacin de procesos de manufactura. Algunos de estos procesos usados en la manufactura moderna se remontan a la antigedad (vase la nota histrica 1.2)

Nota histrica 1.2Materiales y procesos de manufactura________________________________________

. A unque muchos de los desarrollos histricos que han dado forma a la prctica moderna de la manufactura han ocurrido en los ltimos siglos (nota histrica 1.1), varios de los procesos bsicos de m anufactura se rem ontan al periodo neoltico (alrededor de 8000 a 3000 a.C.), durante este periodo se descubrieron algunos de los siguientes procesos: grabado y otros trabajos de tallado en madera, formado a mano y cocido de utensilios de barro, tallado y pulido de la piedra, hilado y tejido de telas, y teido de textiles.

La metalurgia y el trabajo de m etales comenzaron tambin durante el neoltico en Mesopotamia y reas circundantes del Mediterrneo. Este arte se desarroll en forma independiente y se extendi a otras regiones de Europa y Asia. El oro fue descubierto en la naturaleza por los primitivos seres hum anos en forma relativamente pura, y as pudo ser martillado para darle forma. El cobre fue probablem ente el primer metal que se extrajo de su mineral, por tanto requiri la fundicin como tcnica de proceso. La forja con el martillo no pudo llevarse a cabo, debido a que el metal se endureca al deformarse, se prefiri darle forma m ediante

Seccin 1.3 / Procesos de manufactura 13

el miado (vase nota histrica 12.1). O tros m etales usados en este periodo fueron la plata y el estao. Se descubri que el cobre aleado con el estao produca un metal ms dctil y maleable que el cobre puro (entonces fue posible utilizar el vaciado y el martillado). Esto marc el inicio del im portante periodo conocido como la Edad del Bronce (alrededor de 3500 a 1500 d.C).

El hierro tambin se fundi por primera vez durante la Edad del Bronce. Es probable que los m eteoritos hayan sido la fuente, sin embargo, tambin pudo obtenerse como beneficio del mineral de hierro. Las tem peraturas requeridas para reducir el mineral de hierro a metal son

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Captulo 1 / Introduccin

significativamente ms elevadas que para el cobre, lo cual hizo ms difcil la operacin de los hornos: otros m todos de proceso eran an ms difciles por la misma razn Los primeros herreros aprendieron que ciertas clases de hierro (que contenan cantidades pequeas de carbn i alcanzaban mayor endurecim iento cuando se calentaban lo suficiente y despus se templaban. Esto perm ita afilar mejor los cantos de sus cuchillos y armas, pero haca frgil al metal. Se podfa aum entar la tenacidad del metal recalentndolo a una tem peratura menor, proceso conocido com o templado. Lo descrito hasta aqu es el tratamiento trmico del acero. Las propiedades superiores del acero ocasionaron que ste sustituyera al bronce en muchas de sus aplicaciones (arm amento, agricultura y dispositivos mecnicos) El periodo subsecuente ha sido llamado la Edad del Hierro (se inicia alrededor de 1000 a.C.I Fue hasta mucho despus, bien entrado el siglo XIX. que la dem anda del acero creci significativamente y se desarrollaron tcnicas ms modernas de elaboracin del acero (vase la nota histrica 7 .1).

Los pnncipios de la tecnologa de las mquinas herramienta surgieron durante la Revolucin Industrial. stas fueron desarrolladas durante el periodo 1770-1850 para la mayora de los procesos de remocin en materiales convencionales, como perforado, torneado, taladrado, fresado, limado, y cepillado (vase la nota histrica 25.1). Muchos de estos procesos individuales preceden a las m quinas herram ienta por siglos; por ejemplo, el taladrado y aserrado (de madera) datan de tiem pos muy antiguos, y el torneado (de madera) se remonta al ao I d.C.

Los m todos de ensam ble se usaron en culturas antiguas para hacer buques, armas, herramientas. im plem entos de labranza, maquinaria, carros, muebles y prendas de vestir Los procesos incluyeron el amarre con sogas y cordeles, remachado y clavado, y soldado blando La soldadura por forja y el pegado con adhesivos se desarrollaron alrededor del ao I d.C El uso difundido de tornillos, pernos y tuercas como medios de sujecin, tan com unes hoy, requirieron del desarrollo de m quinas herram ienta (como el torno formador de tom illos de Maudsley en 1800) que pudieran formar con precisin las formas helicoidales requeridas Alrededor de 1900 se iniciaron los procesos de soldadura por fusin para desarrollarse como tcnica de ensamble (vase la nota histrica 28.1).

El hule natural fue el primer polmero utilizado en manufactura (si ignoramos a la madera, que es un polmero com puesto). El proceso de vulcanizacin, descubierto por Charles Goodyear en 1839. hizo del hule un material til en ingeniera (vase la nota histrica 10 2). Los desarrollos subsiguientes incluyeron materiales plsticos como el nitrato de celulosa en 1870. la baquelita en 1900. el cloruro de polivinilo en 1927, el polietileno en 1932 y el nylon en la dcada de los treinta (vase la nota histrica 10.1). Los requerimientos para procesar el plstico condujeron al desarrollo del moldeo por inyeccin (basado en la fundicin a presin, uno de los procesos de fundicin de metales) y otras tcnicas de formado de polmeros.

Los productos electrnicos han im puesto dem andas inusitadas a la manufactura desde el punto de vista de la miniaturizacin. La evolucin de la tecnologa se ha dado en el encapsulado cada vez mayor de dispositivos en reas cada vez ms pequeas, en algunos casos un milln de transistores en una pieza plana de material semiconductor que mide solam ente 0.25 pulg (6 mm) por lado La historia del procesam iento de dispositivos electrnicos y su encapsulado datan de unas pocas dcadas atrs (vanse las notas histricas 34 1, 35.1 y 35.2).

.1 Operaciones de proceso

Una operacin de proceso utiliza energa para alterar la forma, las propiedades fsicas o el aspecto de una pieza de trabajo a fin de agregar valor al material. Las formas de energa incluyen la m ecnica, trmica, elctrica o qumica. La energa se aplica de forma controlada mediante la maquinaria y su herramental. Tambin puede requerirse la energa humana, pero los seres humanos generalmente se dedican a controlar las mquinas, a examinar las operaciones, a cargar y descargar partes antes y despus de cada ciclo de operacin. Un modelo general de las operaciones de proceso se

Seccin 1.3 / Procesos de manufactura 15

ilustra en la figura 1.1 (a): el material se alimenta en el proceso, la maquinaria y las herramientas aplican la energa para transformar el material, y la pieza terminada sale del proceso. Como se muestra en dicho modelo, la mayora de las operaciones de produccin producen desechos o desperdicios, ya sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo, material removido en maquinado) o en la forma de ocasionales piezas defectu