1. Unidades estndar empleadas en este libroA lo largo de este libro de texto se utilizan tanto las unidades del Sistema Internacional (SI, mtrico), como las del SistemaTradicional de Estados Unidos (USCS) en ecuaciones y tablas. Las unidades mtricas se consideran como unidades primarias, ylas unidades del USCS se dan entre parntesis.Prefijos para las unidades del SIPrefijo 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 Tradicionalde Estados Unidos (USCS)Variable Unidades del SI Unidades del USCS EquivalenciasLongitudreaVolumenMasaDensidadVelocidadAceleracinFuerzaTorquePresinCargaEnerga, trabajoEnerga trmicaPotenciaCalor especficoConductividad trmicaExpansin trmicaViscosidadmetro (m)m2, mm2m3, mm3kilogramo (kg)kg/m3m/minm/sm/s2Newton (N)N-mPascal (Pa)Pascal (Pa)Joule (J)Joule (J)Watt (W)J/Kg-CJ/s-mm-C(mm/mm)/CPa-spulgada (in)pie (ft)yardamillamicro-pulgada (m-in)in2, ft3in3, ft3libra (lb)toneladalb/in3lb/ft3ft/minin/minft/seg2libra (lb)ft-lb, in-lblb/in2lb/in2ft-lb, in-lbUnidad trmica britnica (Btu)Caballo de fuerza (hp)Btu/lb-FBtu/hr-in-F(in/in)/Flb-seg/in21.0 in = 25.4 mm = 0.0254 m1.0 ft = 12.0 in = 0.3048 m = 304.8 mm1.0 yarda = 3.0 ft = 0.9144 m = 914.4 mm1.0 milla = 5 280 ft = 1 609.34 m = 1.60934 km1.0 -in = 1.0 106 in = 25.4 103 mm1.0 in2 = 645.16 mm21.0 ft2 = 144 in2 = 92.90 103 m21.0 in3 = 16 387 mm31.0 ft2 = 1 728 in3 = 2.8317 102 m31.0 lb = 0.4536 kg1.0 ton (corta) = 2 000 lb = 907.2 kg1.0 lb/in3 = 27.68 103 kg/m31.0 lb/ft3 = 16.0184 kg/m31.0 ft/min = 0.3048 m/min = 5.08 103 m/s1.0 in/min = 25.4 mm/min = 0.42333 mm/s1.0 ft/seg = 0.3048 m/s21.0 lb = 4.4482 N1.0 ft-lb = 12.0 in-lb = 1.356 N-m1.0 in-lb = 0.113 N-m1.0 lb/in2 = 6 895 N/m2 = 6 895 Pa1.0 lb/in2 = 6.895 103 N/mm2 = 6.895 103 MPa1.0 ft-lb = 1.365 N-m = 1.365 J1.0 in-lb = 0.113 N-m = 0.113 J1.0 Btu = 1 055 J1.0 hp = 33 000 ft-lb/min = 745.7 J/s = 745.7 W1.0 ft-lb/min = 2.2597 102 J/s = 2.2597 102 W1.0 Btu/lb - F = 1.0 caloras/g-C = 4 187 J/kg-C1.0 Btu/hr-in - F = 2.077 102 J/s-mm-C1.0 (in/in)/ F = 1.8 (mm/mm)/C1.0 lb-seg/in2 = 6 895 Pa-s = 6 895 N-s/m2Conversin entre las unidades del USCS y el SIPara convertir del sistema USCS al SI: Para convertir el valor de una variable que est en unidades de USCS a su equivalente en unidadesdel SI, multiplique el valor que desea convertir por el valor que aparece al lado derecho de la equivalencia correspondiente en la Tabla deequivalencias.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 mmL = 3.25 in (25.4 mm/in) = 82.55 mmPara convertir unidades del SI al sistema USCS: Para convertir el valor de una variable de unidades del SI a su equivalente en unidades delUSCS, divida el valor que desea convertir entre el valor asentado en el lado derecho de la equivalencia que le corresponde en la Tabla deequivalencias.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 mm2A = 1 000 mm2 /(645.16 mm2/in2) = 1.55 in2

2. FUNDAMENTOSDE MANUFACTURAMODERNA 3. FUNDAMENTOSDE MANUFACTURAMODERNAMateriales, procesos y sistemasTercera edicinMikell P. GrooverProfesor de ingeniera industrialy de sistemasLehigh UniversityRevisin tcnica:Ing. Antonio Barrientos MoralesAcadmico de Ingeniera MecnicaUniversidad Iberoamericana, Ciudad de MxicoIng. Javier Len CrdenasJefe de Ingeniera MecnicaUniversidad La Salle, campus Ciudad de MxicoIng. Rosendo Reyes RosalesCoordinador de Talleres y Laboratorios de IngenieraUniversidad La Salle, campus Ciudad de MxicoMXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALALISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULOAUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHISAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO 4. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Lorena Campa RojasSupervisor de produccin: Zeferino Garca GarcaTraduccin: Carlos Roberto Cordero PedrazaJavier Enrquez BritoJess Elmer Murrieta MurrietaDiseo de portada: CrculodiseoFUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNATercera edicinProhibida 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 porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.Edificio Punta Santa FeProlongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D. F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736ISBN-13: 978-970-10-6240-1ISBN-10: 970-10-6240-XTraducido 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: 0-471-74485-9ISBN-13: 978-0-471-74485-61234567890 0986543217Impreso en Mxico Printed in Mexico 5. PREFACIOFundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas est diseadopara un primer curso, o una serie de dos, de la materia de manufactura en los primeros aosde 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 cursosde ciencia e ingeniera de materiales que hacen nfasis en el procesamiento de materiales.Por ltimo, es apropiado para programas de tecnologa relacionados con las especialidadesmencionadas de la ingeniera. La mayor parte del contenido del libro se relaciona con losprocesos de manufactura (alrededor de 65% del texto), pero tambin da cobertura signifi-cativaa los materiales y sistemas de produccin de la ingeniera. Los materiales, procesosy sistemas son los fundamentos bsicos con los que se estructura la manufactura moderna,y en el libro se estudian esos tres grandes temas.ENFOQUEEl objetivo del autor es tratar a la manufactura con un enfoque que es ms moderno ycuantitativo que el de los libros de manufactura de otros autores. La afirmacin de que esmoderno se basa en que 1) cubre en forma ms balanceada los materiales bsicos de laingeniera (metales, cermicas, polmeros y materiales compuestos); 2) incluye procesos demanufactura desarrollados recientemente, adems de los tradicionales que se han emplea-doy perfeccionado durante muchos aos, y 3) su cobertura ms completa de tecnologas demanufactura electrnica. Los libros de texto de otros autores tienden a hacer nfasis en losmetales y su procesamiento, sin tomar mucho en cuenta los dems materiales de uso enla ingeniera cuyas aplicaciones y mtodos de aprovechamiento han crecido en forma sig-nificativaen las ltimas dcadas. Por ejemplo, el volumen de polmeros que se comercianen el mundo de hoy, excede el de los metales procesados. Asimismo, otros libros cubrenmnimamente la manufactura electrnica y sin embargo, la importancia comercial de losproductos electrnicos y sus industrias asociadas se ha incrementado de manera sustancialdurante las dcadas ms recientes.La afirmacin de que el libro es ms cuantitativo que otros libros de texto de ma-nufacturase basa en su nfasis en la ciencia de la manufactura y el gran uso que hacede ecuaciones y problemas cuantitativos (al final de cada captulo). En el caso de ciertosprocesos, fue el primer libro de procesos de manufactura que les dio un tratamiento cuan-titativode ingeniera.LO NUEVO EN ESTA EDICINEsta tercera edicin es una versin actualizada de la segunda, con un captulo nuevo sobreprocesos de fabricacin con nanotecnologa, y varias secciones actualizadas. El autor tratade ser exhaustivo en el contenido del libro, sin dejar que su tamao sea excesivo. Entre loselementos 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 requierende un anlisis cuantitativo. 6. Preguntas de repaso nuevas y revisadas, as como cuestionarios de opcin mltiple entodos los captulos. Hay ms de 740 preguntas de repaso al final de los captulos y casi500 de opcin mltiple. Estas ltimas se han reformulado para que sean ms accesiblespara el estudiante.En el libro se incluye un DVD para los profesores que as lo soliciten, que muestravideos de las acciones de muchos de los procesos de manufactura. Los captulos se hanactualizado para que incluyan referencias a ellos, y se han aadido preguntas al finalde cada captulo relacionadas con los videos.Otros elementos clave1. Secciones acerca de la Gua del procesamiento en cada uno de los cuatro captulos sobrelos materiales de ingeniera.2. Secciones llamadas Consideraciones sobre el diseo del producto en muchos de los ca-ptulosque 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 deUnidades (mtrico), que ms se usa en ingeniera, pero tambin se utiliza el Sistemade Unidades Tradicionales de Estados Unidos.MATERIALES DE APOYO PARA LOS MAESTROSEsta 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 profesoresque adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la polticade entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill o enve un correoelectrnico a marketinghe@mcgraw-hill.comvi Prefacio 7. AGRADECIMIENTOSQuisiera expresar mi agradecimiento a las personas siguientes, que fungieron como reviso-restcnicos de conjuntos individuales de los captulos de la primera edicin: Iftikhar Ah-mad(George Mason University), J. T. Black (Auburn University), David Bourell (Univer-sityof Texas en Austin), Paul Cotnoir (Worcester Polytechnic Institute), Robert E. Eppich(American Foundrymans Society), Osama Eyeda (Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity), Wolter Fabricky (Virginia Polytechnic Institute and State University), KeithGardiner (Lehigh University), R. Heikes (Georgia Institute of Technology), Jay R. Geddes(San Jose State University), Ralph Jaccodine (Lehigh University), Steven Liang (GeorgiaInstitute of Technology), Harlan MacDowell (Michigan State University), Joe Mize (Okla-homaState University), Colin Moodie (Purdue University), Michael Philpott (Universityof Illinois en Champaign-Urbana), Corrado Poli (University of Massachusetts en Amherst),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-sylvaniaState University) y Charles White (GMI Engineering and Management Institute).Por sus revisiones valiosas de ciertos captulos de la segunda edicin, agradezco aJohn T. Berry (Mississippi State University), Rajiv Shivpuri (Ohio State University), JamesB. Taylor (North Carolina State University). Joel Troxler (Montana State University) yAmpere A. Tseng (Arizona State University).Por sus consejos y estmulos provechosos para la tercera edicin, doy gracias a variosde mis colegas en Lehigh, entre quienes se encuentran John Coulter, Keith Gardiner, An-drewHerzing, Wojciech Misiolek, Nicholas Odrey, Gregory Tonkay y Marvin White. Enespecial 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, ascomo a Greg Tonkay, de mi propio departamento, por desarrollar muchos de los problemasy preguntas nuevas y actualizadas en esta nueva edicin.Adems, es apropiado dar crdito a todos los colegas que participaron con sus conse-josen la preparacin de esta tercera edicin. Las preguntas o comentarios individuales sepueden dirigir personalmente al autor, en la direccin Mikell.Groover@Lehigh.edu 8. ACERCA DEL AUTORMikell 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 Sistemasde Manufactura. Obtuvo grados de B.A. en Ciencias y Artes (1961), B.S. en IngenieraMecnica (1962), M.S. en Ingeniera Industrial (1966) y Ph. D. (1969), todos en Lehigh. EsIngeniero Profesional Registrado en Pennsylvania. Su experiencia industrial incluye variosaos como ingeniero de manufactura en Eastman Kodak Company. Desde que ingres aLehigh ha efectuado trabajos de consultora, investigacin y proyectos para varias compa-asindustriales.Sus reas de investigacin y enseanza incluyen procesos de manufactura, sistemasde produccin, automatizacin, manejo de materiales, planeacin de instalaciones y sis-temasde trabajo. Ha obtenido varios premios por su enseanza en Lehigh University,as como el Albert G. Holzman Outstanding Educator Award, del Institute of IndustrialEngineers (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 mencionanms 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 textopresente, Fundamentals of Modern Manufacturing, recibi el IIE Joint Publishers Award(1996) y el M. Eugene Merchant Manufacturing Textbook Award, de la Society of Manu-facturingEngineers (1996).El Dr. Groover es miembro del Institute of Industrial Engineers, American Societyof Mechanical Engineers (ASME), la Society of Manufacturing Engineers (SME), el NorthAmerican Manufacturing Research Institute (NAMRI) y ASM International. Es miembrodel IIE (1987) y del SME (1996).OTROS LIBROS DEL AUTORAutomation, Production Systems, and Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall.1980.CAD/CAM: Computer-Aided Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1984 (en colabo-racincon E. W. Zimmers, Jr.).Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill BookCompany, 1986 (en colaboracin con M. Weiss, R. Nagel y N. Odrey).Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. PrenticeHall, 1987.Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, publicadooriginalmente por Prentice Hall en 1996, y despus por John Wiley & Sons, Inc, en 1999.Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Segundaedicin, Prentice Hall, 2001.Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. Segundaedicin, John Wiley & Sons, Inc., 2002. 9. CONTENIDO1 INTRODUCCIN Y PANORAMADE LA MANUFACTURA 11.1 Qu es la manufactura? 21.2 Los materiales en la manufactura 81.3 Procesos de manufactura 101.4 Sistemas de produccin 171.5 Organizacin del libro 20Parte I Propiedades de los materialesy atributos del producto 232 LA NATURALEZA DE LOS MATERIALES 232.1 Estructura atmica y los elementos 232.2 Enlaces entre tomos y molculas 262.3 Estructuras cristalinas 282.4 Estructuras no cristalinas (amorfas) 342.5 Materiales de ingeniera 353 PROPIEDADES MECNICASDE LOS MATERIALES 383.1 Relaciones esfuerzo-deformacin 393.2 Dureza 513.3 Efecto de la temperatura sobre las propiedades 553.4 Propiedades de los fluidos 573.5 Comportamiento viscoelstico de los polmeros 604 PROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES 674.1 Propiedades volumtricas y de fusin 684.2 Propiedades trmicas 704.3 Difusin de masa 724.4 Propiedades elctricas 744.5 Procesos electroqumicos 755 DIMENSIONES, TOLE RAN CIASY SUPERFICIES 795.1 Dimensiones, tolerancias yatributos relacionados 805.2 Superficies 815.3 Efecto de los procesos de manufactura 87Parte II Materiales de la ingeniera 906 Metales 906.1 Aleaciones y diagramas de fase 916.2 Metales ferrosos 966.3 Metales no ferrosos 1116.4 Superaleaciones 1226.5 Gua para el procesamiento de metales 1237 CERMICOS 1277.1 Estructura y propiedadesde los cermicos 1297.2 Cermicos tradicionales 1317.3 Nuevos materiales cermicos 1337.4 Vidrio 1367.5 Algunos elementos importantes relacionadoscon los cermicos 1397.6 Gua para el procesamiento de los materialescermicos 1428 POLMEROS 1448.1 Fundamentos de la ciencia y tecnologa de lospolmeros 1478.2 Polmeros termoplsticos 1568.3 Polmeros termofijos 1638.4 Elastmeros 1678.5 Gua para el procesamiento depolmeros 1749 MATERIALES COMPUESTOS 1769.1 Tecnologa y clasificacin de los materialescompuestos 1779.2 Compuestos de matriz metlica 1859.3 Compuestos de matriz cermica 18894 Compuestos de matriz de polmero 1889.5 Gua para el procesamiento de los materialescompuestos 191Parte III Procesos de solidificacin 19410 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICINDE METALES 19410.1 Panorama de la tecnologa de fundicin 19710.2 Calentamiento y vertido 19910.3 Solidificacin y enfriamiento 20311 PROCESOS DE FUNDICIN DE METALES 21411.1 Fundicin en arena 21511.2 Otros procesos de fundicin con moldesdesechables 22011.3 Procesos de fundicin con moldespermanentes 22611.4 La prctica de la fundicin 23411.5 Calidad del fundido 238 10. x Contenido11.6 Los metales para fundicin 24011.7 Consideraciones sobre el diseo del producto 24212 TRABAJO DEL VIDRIO 24712.1 Preparacin y fundicin de las materias primas 24712.2 Los procesos de conformacin en el trabajo delvidrio 24812.3 Tratamiento trmico y acabado 25412.4 Consideraciones sobre el diseo del producto 25513 PROCESOS DE CONFORMADO PARAPLSTICOS 25713.1 Propiedades de los polmeros fundidos 25913.2 Extrusin 26113.3 Produccin de hojas y pelcula 27113.4 Produccin de fibras y filamentos (hilado ohilandera) 27313.5 Procesos de recubrimiento 27513.6 Moldeo por inyeccin 27513.7 Moldeo por compresin y transferencia 28613.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 28813.9 Termoformado 29313.10 Fundicin 29713.11 Procesamiento y formado de espumade polmero 29813.12 Consideraciones sobre el diseo del producto 30014 TECNOLOGA DE PROCESAMIENTO DELCAUCHO (HULE) 30714.1 Procesamiento y formado del caucho 30714.2 Manufactura de llantas y otros productos de caucho 31314.3 Consideraciones sobre el diseo del producto 31615 PROCESOS DE FORMADO PARA MATERIALESCOMPUESTOS CON MATRIZ POLIMRICA 31915.1 Materias primas para materiales compuestos con matrizpolimrica (PMC) 32115.2 Procesos con molde abierto 32415.3 Procesos con molde cerrado 32715.4 Bobinado de filamentos 33015.5 Procesos de pultrusin 33215.6 Otros procesos de formado para PMC 333Parte IV Procesamiento de partculas para metalesy cermicos 33716 METALURGIA DE POLVOS 33716.1 Caractersticas de los polvos en ingeniera 34016.2 Produccin de polvos metlicos 34316.3 Prensado convencional y sinterizado 34516.4 Alternativas de prensado y tcnicas desinterizado 35116.5 Materiales y productos para metalurgia de polvos 35416.6 Consideraciones de diseo en metalurgia de polvos 35517 PROCESAMIENTO DE CERMICAS YCERMETS 36217.1 Procesamiento de cermicas tradicionales 36317.2 Procesamiento de cermicas nuevas 37017.3 Procesamiento de cermets 37317.4 Consideraciones para el diseo de productos 375Parte V Formado de metal y trabajo de lminasmetlicas 37818 FUNDAMENTOS DEL FORMADO DEMETALES 37818.1 Panorama del formado de metales 37818.2 Comportamiento del material en el formado demetales 38118.3 Temperatura en el formado de metales 38218.4 Sensibilidad a la velocidad de deformacin 38418.5 Friccin y lubricacin en el formado de metales 38619 PROCESOS DE DEFORMACIN VOLUMTRICAEN EL TRABAJO DE METALES 39019.1 Laminado 39119.2 Otros procesos de deformacin relacionados con ellaminado 39819.3 Forjado 40019.4 Otros procesos de deformacin relacionados con elforjado 41219.5 Extrusin 41619.6 Estirado de alambres y barras 42720 TRABAJADO METLICO DE LMINAS 44020.1 Operaciones de corte 44120.2 Operaciones de doblado 44820.3 Embutido 45220.4 Otras operaciones de formado de lminasmetlicas 45920.5 Troqueles y prensas para procesos con lminasmetlicas 46220.6 Operaciones con lminas metlicas no realizadas enprensas 46920.7 Doblado de material tubular 474Parte VI Procesos de remocin de material 48121 TEORA DE MAQUINADO DE METALES 48121.1 Panorama general de la tecnologa delmaquinado 48321.2 Teora de la formacin de viruta en el maquinado demetales 48621.3 Relaciones de fuerza y la ecuacin de Merchant 49021.4 Relaciones entre potencia y energa en elmaquinado 49521.5 Temperatura de corte 498 11. Contenido xi22 OPERACIONES DE MAQUINADO Y MQUINASHERRAMIENTA 50522.1 Torneado y operaciones afines 50822.2 Taladrado y operaciones afines 51822.3 Fresado 52222.4 Centros de maquinado y centros de torneado 52922.5 Otras operaciones de maquinado 53122.6 Maquinado de alta velocidad 53623 TECNOLOGA DE LAS HERRAMIENTAS DECORTE 54223.1 Vida de las herramientas 54323.2 Materiales para herramientas 54923.3 Configuracin geomtrica de las herramientas 55823.4 Fluidos para corte 56624 CONSIDERACIONES ECONMICAS YPARA EL DISEO DEL PRODUCTO ENMAQUINADO 57424.1 Maquinabilidad 57424.2 Tolerancias y acabado superficial 57724.3 Seleccin de las condiciones de corte 58124.4 Consideraciones para el diseo del productoen maquinado 58725 ESMERILADO Y OTROS PROCESOSABRASIVOS 59425.1 Esmerilado 59525.2 Procesos abrasivos relacionados 61226 PROCESO DE MAQUINADO NO TRADICIONALY DE CORTE TRMICO 61826.1 Procesos de energa mecnica 61926.2 Procesos de maquinado electroqumico 62326.3 Procesos de energa trmica 62726.4 Maquinado qumico 63526.5 Consideraciones para la aplicacin 641Parte VII Operaciones para la mejora de propiedadesy el procesamiento superficial 64727 TRATAMIENTO TRMICO DE METALES 64727.1 Recocido 64827.2 Formacin de martensita en el acero 64827.3 Endurecimiento por precipitacin 65227.4 Endurecimiento superficial 65427.5 Mtodos e instalaciones para el tratamiento trmico 65528 LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 66028.1 Limpieza qumica 66028.2 Limpieza mecnica y preparacinsuperficial 66328.3 Difusin e implantacin inica 66529 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO YDEPOSICIN 66929.1 Chapeado y procesos relacionados 67029.2 Recubrimientos por conversin 67429.3 Deposicin fsica de vapor 67529.4 Deposicin qumica de vapor 67829.5 Recubrimientos orgnicos 68129.6 Esmaltado en porcelana y otros recubrimientoscermicos 68329.7 Procesos de recubrimiento trmicos y mecnicos 684Parte VIII Procesos de unin y ensamble 68930 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA 68930.1 Perspectiva de la tecnologa de la soldadura 69130.2 Unin soldada 69330.3 Fsica de la soldadura 69630.4 Caractersticas de una junta soldadapor fusin 69931 PROCESOS DE SOLDADURA 70531.1 Soldadura con arco 70631.2 Soldadura por resistencia 71631.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible 72331.4 Otros procesos de soldadura por fusin 72631.5 Soldadura de estado slido 72931.6 Calidad de la soldadura 73431.7 Soldabilidad 73932 SOLDADURA DURA, SOLDADURA SUAVE YPEGADO ADHESIVO 74532.1 Soldadura dura 74632.2 Soldadura suave 75132.3 Pegado adhesivo 75533 ENSAMBLE MECNICO 76333.1 Sujetadores roscados 76433.2 Remaches y ojillos 77033.3 Mtodos de ensamble basados en ajustespor interferencia 77233.4 Otros mtodos de sujecin mecnica 77533.5 Insertos en moldeado y sujetadoresintegrales 77633.6 Diseo para ensambles 778Parte IX Procesamiento especial ytecnologas de ensamble 78434 CREACIN RPIDA DE PROTOTIPOS 78434.1 Fundamentos de la creacin rpida de prototipos 78534.2 Tecnologas para la creacin rpida de prototipos 78634.3 Aspectos de aplicacin en la creacin rpidade prototipos 794 12. xii Contenido35 PROCESAMIENTO DE CIRCUITOSINTEGRADOS 79835.1 Panorama del procesamiento de CI 79935.2 Procesamiento del silicio 80335.3 Litografa 80735.4 Procesos de formacin de capas en la fabricacindeCI 81135.5 Integracin de los pasos de fabricacin 81835.6 Encapsulado de CI 82035.7 Rendimientos en el procesamiento de CI 82536 ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOSELECTRNICOS 83036.1 Encapsulado de dispositivos electrnicos 83036.2 Tableros de circuitos impresos 83236.3 Ensamble de tableros de circuitos impresos 84136.4 Tecnologa de montaje superficial 84536.5 Tecnologa de conectores elctricos 85037 TECNOLOGAS DE MICROFABRICACIN 85537.1 Productos de microsistemas 85537.2 Procesos de microfabricacin 86138 TECNOLOGAS DE NANOFABRICACIN 87038.1 Introduccin a la nanotecnologa 87238.2 Procesos de nanofabricacin 87738.3 La national nanotechnology initiative 884Parte X Sistemas de manufactura 88739 CONTROL NUMRICO Y ROBTICAINDUSTRIAL 88739.1 Control numrico 88839.2 Robtica industrial 90040 TECNOLOGA DE GRUPOS Y SISTEMASFLEXIBLES DE MANUFACTURA 91040.1 Tecnologa de grupos 91040.2 Sistemas flexibles de manufactura 91541 LNEAS DE PRODUCCIN 92241.1 Fundamentos de las lneas de produccin 92241.2 Lneas de ensamble manual 92641.3 Lneas de produccin automatizadas 930Parte XI Sistemas de apoyo a la manufactura 93742 INGENIERA DE MANUFACTURA 93742.1 Planeacin de procesos 93842.2 Solucin de problemas y mejoracontinua 94642.3 Ingeniera concurrente y diseo para lamanufacturabilidad 94643 PLANEACIN Y CONTROL DELA PRODUCCIN 95343.1 Planeacin agregada y el programa maestrode produccin 95543.2 Control de inventarios 95643.3 Planeacin de requerimientos de materialesy de capacidad 96043.4 Produccin justo a tiempo y ajustada 96443.5 Control de piso del taller 96744 CONTROL DE CALIDAD 97244.1 Que es la calidad? 97244.2 Capacidad del proceso 97344.3 Tolerancia estadstica 97444.4 Mtodos de Taguchi 97744.5 Control estadstico de procesos 98045 MEDICIN E INSPECCIN 98945.1 Metrologa 99045.2 Principios de inspeccin 99345.3 Instrumentos de medicin y calibradoresconvencionales 99545.4 Mediciones de superficies 100245.5 Tecnologas avanzadas de medicine inspeccin 1004NDICE 1015 13. FUNDAMENTOSDE MANUFACTURAMODERNA 14. INTRODUCCINY PANORAMA1 DE LA MANUFACTURACONTENIDO DEL CAPTULO1.1 Qu es la manufactura?1.1.1 Definicin de manufactura1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos1.1.3 Capacidad de manufactura1.2 Los materiales en la manufactura1.2.1 Metales1.2.2 Cermicos1.2.3 Polmeros1.2.4 Compuestos1.3 Procesos de manufactura1.3.1 Operaciones de procesamiento1.3.2 Operaciones de ensamblado1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas1.4 Sistemas de produccin1.4.1 Instalaciones de produccin1.4.2 Sistemas de apoyo a la manufactura1.5 Organizacin del libroLa manufactura es importante en lo tecnolgico, econmico e histrico. La tecnologa sedefine como la aplicacin de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembrosaquellos objetos que necesitan o desean. La tecnologa influye de muchas formas ennuestras vidas diarias, directa e indirectamente. Considere la lista de productos de la tabla1.1. Representan distintas tecnologas que ayudan a los miembros de nuestra sociedad a vivirmejor. Qu tienen en comn esos productos? Todos son manufacturados. Esas maravillastecnolgicas no estaran disponibles para la sociedad si no pudieran manufacturarse. Lamanufactura es el factor esencial que hace posible a la tecnologa.En cuanto a la economa, la manufactura es un medio importante con el que unanacin crea bienestar material. En Estados Unidos, las industrias manufactureras generanalrededor de 20% del producto interno bruto (PIB). Los recursos naturales de un pas, comolas tierras agrcolas, depsitos minerales y reservas petrolferas, tambin crean bienestar. 15. 2 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaTABLA 1.1 Productos que representan distintas tecnologas, la mayor parte de los cuales influyen a casi todas las personas.Automvil deportivo utilitario (ADU) contraccin en las cuatro ruedas, bolsas deaire, frenos antibloqueo, control de manejoy radio AM-FM con reproductor de discoscompactosAvin supersnicoBolgrafoCajero automticoCalculadora electrnica porttilCmara digitalCircuito integradoComputadora personal (PC)Disco compacto (CD)Disco de video digital (DVD)Disquete de alta densidad para PCEscner pticoFoco incandescenteFotocopiadoraHorno de microondasImpresora de inyeccin de tintaJuegos de videoLatas de fcil aperturaLavadora de trastosLavadora y secadoraLentes de contactoMquina de faxMquina para el diagnstico mdico pormedio de imgenes de resonanciamagntica (IRM)Podadora autopropulsadaRaqueta de tenis de materialescompuestosReloj de pulsera de cuarzoReproductor de cintas de videoReproductor de discos compactosReproductor digital de discosRobot industrialSilla de plstico para el jardn, moldeadaen una piezaSistema de seguridad para el hogarTelfono celularTelevisin a colores de pantalla grandeZapatos deportivosEn 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 restocorresponde 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 agrupael 70%, aproximadamente, del PIB de Estados Unidos. Tan slo el gobierno de ese pasgenera tanto PIB como el sector de manufactura, pero los servicios gubernamentales nocrean riqueza. En la economa moderna internacional, una nacin debe poseer una basefuerte de manufactura (o tener recursos naturales significativos) si ha de contar con unaeconoma fuerte y estndares de vida elevados para su pueblo.Histricamente, por lo general se subestima la importancia de la manufactura en eldesarrollo de la civilizacin. Pero a lo largo de la historia, las culturas humanas que hansido mejores para fabricar objetos han tenido ms xito. Al elaborar herramientas mejores,tuvieron destrezas y armas mejores. Las mejores destrezas les permitieron vivir mejor. Conarmas mejores pudieron conquistar a las culturas vecinas en pocas de conflicto. En laGuerra Civil de Estados Unidos (1861-1865), una de las grandes ventajas del Norte sobreel Sur fue su fortaleza industrial, es decir, su capacidad de manufactura. En la SegundaGuerra Mundial (1939-1945), Estados Unidos super en produccin a Alemania y Japnventaja decisiva para triunfar en la guerra. En gran parte, la historia de la civilizacin esla 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); lacombinacin de ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios siglosde antigedad, y hecho a mano describe en forma adecuada los mtodos manuales quese utilizaban cuando se acu la expresin.1 La mayor parte de la manufactura moderna selleva a cabo por medio de maquinaria automatizada y controlada por computadora quese supervisa manualmente (vase la nota histrica 1.1).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? 3Nota histrica 1.1 Historia de la manufacturaL a historia de la manufactura puede dividirse en dospartes: 1) el descubrimiento y la invencin por parte delhombre de los materiales y los procesos para fabricar cosas,y 2) el desarrollo de los sistemas de produccin. Los mate-rialesy procesos para hacer objetos preceden a los sistemasen varios milenios. Algunos de dichos procesos fundicin,trabajo con martillo (forjar), y rectificado se remontan a6 000 aos o ms. La fabricacin temprana de implementos yarmas se llev a cabo ms mediante destrezas y oficios, quemediante la manufactura en el sentido actual. Los antiguosromanos tenan lo que podran llamarse fbricas paraproducir armas, pergaminos, cermica y vidrio, as comootros productos de esa poca, pero los procedimientos sebasaban por mucho en el trabajo con las manos.En este momento se examinarn los aspectos de lossistemas de manufactura, y los materiales y procesos sedejarn para la nota histrica 1.2. La expresin sistemasde manufactura se refiere a las formas de organizar a laspersonas y a los equipos de modo que la produccin se llevea cabo con ms eficiencia. Son varios los sucesos histricosy descubrimientos que tuvieron un efecto grande en eldesarrollo de los sistemas modernos de manufactura.Es claro que un descubrimiento significativo fue elprincipio de la divisin del trabajo, es decir, dividir el trabajototal en tareas, y hacer que los trabajadores individualesse convirtieran en especialistas en hacer solo una. Esteprincipio se haba practicado durante siglos, pero aleconomista Adam Smith (1723-1790) se le ha adjudicado elcrdito por haber sido el primero en explicar su significadoeconmico en su obra La riqueza de las naciones.La Revolucin Industrial (alrededor de 1760 a 1830)tuvo en diversos modos un efecto grande sobre laproduccin. Marc el cambio entre una economa basadaen la agricultura y el oficio manual, a otra con base en laindustria y la manufactura. El cambio comenz en Inglaterra,donde se invent una serie de mquinas y la potencia delvapor remplaz a la del agua, a la del viento y a la animal.Esas ventajas dieron a la industria britnica la delanterasobre las de otras naciones, e Inglaterra trat de impedirla exportacin de las tecnologas nuevas. Sin embargo,finalmente la revolucin se extendi a otros pases europeosy a Estados Unidos. Varios inventos de la revolucinindustrial contribuyeron mucho al desarrollo de lamanufactura: 1) la mquina de vapor de Watt, una tecnologanueva de generacin de energa para la industria, 2) lasmquinas herramienta, que comenzaron con la perforadorade John Wilkinson, alrededor de 1775 (vase la nota histrica22.1); 3) la hiladora con varios husillos, el telar mecnico, yotras para la industria textil, que permitieron incrementossignificativos de la productividad; y 4) el sistema fabril, formanueva de organizar nmeros grandes de trabajadores de laproduccin con base en la divisin del trabajo.En tanto Inglaterra lideraba la revolucin industrial,en Estados Unidos surga un concepto importante: lamanufactura de piezas intercambiables. Se concede gran partedel crdito por este concepto a Eli Whitney (1765-1825),aunque su importancia ha sido reconocida a travs deotros [6]. En 1797, Whitney negoci un contrato paraproducir 10 000 mosquetes para el gobierno de EstadosUnidos. En esa poca, la manera de fabricar armas eraartesanal, fabricar cada pieza por separado para un arma enparticular, y luego ajustarlas a mano. Cada mosquete eranico, y el tiempo de fabricacin era considerable. Whitneycrea que los componentes podan hacerse con la exactitudsuficiente para permitir su ensamblado sin ajustarlas.Despus de varios aos de desarrollo en su fbrica deConnecticut, en 1801 viaj a Washington para demostrarel principio. Puso los componentes de 10 mosquetes antefuncionarios gubernamentales, entre ellos Thomas Jefferson,y procedi a seleccionar piezas al azar para ensamblar lasarmas. No se requiri sensibilidad o ajuste especial, y todaslas armas funcionaron a la perfeccin. El secreto detrsde su logro era el conjunto de mquinas, refacciones ymedidores especiales que haba perfeccionado en su fbrica.La manufactura de piezas intercambiables requiri muchosaos de desarrollo antes de convertirse en una realidadprctica, pero revolucion los mtodos de manufactura y esun prerrequisito para la produccin en masa. Debido a quesu origen tuvo lugar en Estados Unidos, la produccin depiezas intercambiables se conoci como el sistema americanode manufactura.De su segunda mitad y hasta al final del siglo XIX sepresenci la expansin de los ferrocarriles, barcos de vapory otras mquinas que crearon la necesidad creciente dehierro y acero. Se crearon mtodos nuevos de produccinpara satisfacer esa demanda (vase la nota histrica6.1). Asimismo, durante ese periodo se inventaron variosproductos de consumo, entre stos: la mquina de coser,la bicicleta y el automvil. A fin de satisfacer la demandamasiva de esos artculos, se requirieron mtodos mseficientes de produccin. Algunos historiadores identificanlos desarrollos durante ese periodo como la SegundaRevolucin Industrial, que se caracteriz en trminos desus efectos sobre los sistemas de manufactura a travsde lo siguiente: 1) produccin en masa, 2) movimiento dela administracin cientfica, 3) lneas de ensamblado, y4) electrificacin de las fbricas.A finales del siglo XIX, surgi en Estados Unidos elmovimiento de la administracin cientfica, en respuestaa la necesidad de planear y controlar las actividades deun nmero en aumento de trabajadores. Los lderes delmovimiento incluan a Frederick W. Taylor (1856-1915), FrankGilbreth (1868-1924) y su esposa Lilian (1878-1972). Laadministracin cientfica tena varias caractersticas [2]:1) el estudio de movimientos, motivado por descubrir elmtodo mejor para ejecutar una tarea dada; 2) el estudiode tiempos, para establecer estndares de trabajo paracierta labor; 3) el uso amplio de estndares en la industria;4) el sistema de pago a destajo y otros planes similares deincentivos del trabajo; y 5) el uso de conjuntos de datos, 17. 4 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaconservacin de registros y contabilidad de costos en lasoperaciones fabriles.Henry Ford (1863-1947) introdujo la lnea de ensambladoen 1913, en su planta de Highland Park (vase la notahistrica 41.1). La lnea de ensamblado hizo posible laproduccin en masa de productos de consumo complejos.Sus mtodos permitieron a Ford vender un automvilmodelo T a un precio tan bajo como $500, lo que hizo queposeer un coche fuera algo factible para un segmento grandede la poblacin estadounidense.En 1881, se construy en la ciudad de Nueva Yorkla primera planta de generacin de energa elctrica, ypronto se utilizaron los motores elctricos como fuentede energa para operar la maquinaria de las fbricas.ste era un sistema que convena ms que las mquinasde vapor para distribuir energa, pues para llevarla a lasmquinas se necesitaban bandas de transmisin. Alrededorde 1920, la electricidad haba sustituido al vapor comola fuente principal de energa de las fbricas de EstadosUnidos. El siglo XX fue la poca en la que hubo msavances tecnolgicos que en todos los siglos pasadosjuntos. Muchos de esos desarrollos dieron origen a laautomatizacin de la manufactura.1.1.1 Definicin de manufacturaComo campo de estudio en el contexto moderno, la manufactura se puede definir de dosmaneras: una tecnolgica y la otra econmica. En el sentido tecnolgico, la manufacturaes la aplicacin de procesos fsicos y qumicos para alterar la geometra, propiedades oapariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufacturatambin incluye el ensamble de piezas mltiples para fabricar productos. Los procesospara 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 seejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de stas lleva al material ms cercadel estado final que se desea.En el sentido econmico, la manufactura es la transformacin de los materialesen artculos de valor mayor por medio de uno o ms operaciones de procesamiento oensamblado, segn lo ilustra la figura 1.1b). La clave es que la manufactura agrega valoral material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintostambin alterados. El material se habr hecho ms valioso por medio de las operacionesde manufactura ejecutadas en l. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero se leagrega valor. Si la arena se transforma en vidrio se le aade valor. Cuando el petrleo serefina y se convierte en plstico su valor aumenta. Y cuando el plstico se modela en lageometra 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 lamanufactura. Para ilustrar esto, se puede utilizar la expresin produccin de petrleocrudo, pero la frase manufactura de petrleo crudo parece fuera de lugar. Sin embargo,Materialde inicioPiezaprocesadaValoragregado $$a) b)Materialde inicioFIGURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura: a) como proceso tcnico, y b) como proceso econmico.PiezaprocesadaMaterialen procesoProceso demanufacturaProceso demanufacturaSobrantes ydesperdiciosTrabajoEnergaHerramientasMaquinaria$ $$$ 18. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 5cuando 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 productosLa 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 losclientes. El tipo de manufactura que una empresa realiza depende de la clase de productoque fabrica. Esta relacin se va a analizar primero con el examen de los tipos de industriasmanufactureras, y despus con la identificacin de los productos que generan.Industrias manufactureras La industria consiste en empresas y organizaciones que produceno suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias oterciarias. Las industrias primarias cultivan y explotan recursos naturales, tales como laagricultura y minera. Las industrias secundarias toman las salidas de las primarias y lasconvierten en bienes de consumo y capital. En esta categora, la manufactura es la actividadprincipal, pero tambin quedan incluidas las construcciones y la generacin de energa. Lasindustrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economa. En la tabla 1.2 sepresenta una lista de industrias especficas de dichas categoras.Este libro se dedica a las industrias secundarias de la tabla 1.2, que incluyen las compaasque se dedican a la manufactura. Sin embargo, la Clasificacin Internacional Estndar deIndustrias, que se emple para compilar la tabla 1.2, incluye varias industrias cuyas tecnologasde produccin no se estudian en este texto; por ejemplo, las bebidas, los productos qumicosy los alimentos procesados. En el libro, manufactura significa produccin de hardware, queva desde tuercas y tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen productosplsticos y cermicos, pero se excluyen la ropa, las bebidas, los productos qumicos, la comiday 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 seenlistan en la tabla 1.3 se dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienesde capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores compran en formadirecta, como autos, computadoras personales, televisiones, neumticos y raquetas de tenis,entre muchos otros ms. Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compaaspara producir bienes y prestar servicios. Algunos ejemplos de bienes de capital incluyenaviones, computadoras grandes, equipo ferroviario, mquinas herramienta y equipo parala construccin.TABLA 1.2 Industrias especficas de las categoras primaria, secundaria y terciaria.Primaria Secundaria Terciaria (servicios)AgriculturaCanterasForestalGanaderaMineraPescaPetrleoAerospacialAlimentos procesadosAparatos de consumoAutomotrizBebidasComputadorasConstruccinEditorialElectrnicaEquiposFarmacuticaInstalaciones de generacinde energaMadera y mueblesMaquinaria pesadaMateriales paraconstruccinMetales procesadosMetalurgia bsicaNeumticos y cauchoPapelPlsticos (formados)Productos qumicosRefinacin de petrleoTextilesVestidoVidrio, cermicosBancaBienes racesComercio al mayoreoComercio al menudeoComunicacionesEducacinEntretenimientoGobiernoHotelInformacinLegalesReparaciones ymantenimientoRestaurantesSalud y cuidadosmdicosSegurosServicios financierosTransporteTurismo 19. 6 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaTABLA 1.3 Industrias de manufactura cuyos materiales, procesos y sistemas se estudian en este libro.IndustriaAdems de los productos finales, otros artculos manufacturados incluyen los mate-riales,componentes y suministros que emplean las compaas para fabricar los artculosterminados. Algunos ejemplos de ellos incluyen la lmina de acero, barras de acero, acua-cin,piezas maquinadas, plsticos moldeados y extrusiones, herramientas de corte, troqueles,moldes y lubricantes. As, las industrias manufactureras son una infraestructura complejacon categoras y niveles distintos de proveedores intermedios con quienes el consumidorfinal nunca tratar.Este libro por lo general estudia artculos discretos piezas individuales y productosensamblados en lugar de aquellos producidos por procesos continuos. Un estampadometlico es un producto discreto, pero el rollo de metal laminado del que se fabrica escontinuo o semicontinuo. Muchas piezas discretas comienzan como productos continuoso semicontinuos, tales como las extrusiones o el cable elctrico. Secciones grandes delongitudes casi continuas se cortan al tamao que se desea. Una refinera de petrleo es unejemplo an mejor del proceso continuo.Cantidad de produccin y variedad de productos La cantidad de productos elaboradospor una fbrica tiene una influencia importante en la manera en que estn organizados supersonal, sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades de produccin anual seclasifican 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 10 000 avarios millones de unidades. Los lmites de los tres rangos son algo arbitrarias (son a juiciodel 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 productoque 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 especializanen la produccin alta de un solo tipo de producto. Es instructivo identificar la variedadde productos como parmetro distintivo de la cantidad de produccin. La variedad deproductos se refiere a los diseos o tipos distintos de productos que se producen en laplanta. Productos diferentes tienen formas y tamaos diferentes; desempean funcionesdistintas; se destinan a mercados distintos; algunos tienen ms componentes que otros; yas sucesivamente. Es posible contar el nmero de tipos distintos de productos fabricadoscada ao. Cuando el nmero de tipos de productos de la fbrica es elevado, eso indica unavariedad de productos alta.Existe una correlacin inversa entre la variedad de productos y la cantidad deproduccin, en trminos de las operaciones de la fbrica. Si la variedad de los productosde 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, comose 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 muchomenos exacto que la cantidad de produccin ya que los detalles en que difieren los diseosAerospacialAutomotrizMetalurgia bsicaComputacinAparatos de consumoElectrnicaProductos tpicosAviones comerciales y militaresAutos, camiones, autobuses,motocicletasHierro, acero, aluminio, cobre, etc.Computadoras grandes y personalesAparatos domsticos grandes ypequeosEquipo de audio, televisiones,reproductoras de videoIndustriaEquiposMetales procesadosVidrio, cermicosMaquinaria pesadaPlsticos (formados)Neumticos y cauchoProductos tpicosMaquinaria industrial, equipo ferroviarioPiezas maquinadas, acuacin, herramientasProductos de vidrio, herramientas cermicos,vajillasMquinas herramientas, construccin deequiposPlsticos moldeados, extrusiones de plsticoLlantas, suelas de calzado, pelotas de tenis 20. Seccin 1.1/Qu es la manufactura? 7FIGURA 1.2 Relacin entre lavariedad de productos y la cantidadde produccin en la manufactura deproductos discretos.no se capturan slo con el nmero de diseos distintos. Las diferencias entre un automvily un acondicionador de aire son mucho mayores que entre este ltimo y una bomba decalor. 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 manifiestaen 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, aunquelos estilos de la carrocera y otras caractersticas del diseo son virtualmente las mismas. Enplantas distintas, la compaa construye camiones pesados. Para describir dichas diferenciasde la variedad de productos, se utilizan los trminos suave y dura. La variedad suave deproductos ocurre cuando slo existen diferencias pequeas en la variedad de productos, comoaquellas 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 entrelos modelos. La variedad dura de productos sucede cuando stos varan en forma sustancial, yhay pocas piezas en comn, o ninguna. La diferencia entre un automvil y un camin es dura.1.1.3 Capacidad de manufacturaUna 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-ductosde valor incrementado. Esos tres bloques constitutivos materiales, procesosy sistemas integran la materia de la manufactura moderna. Entre esos factores existeuna interdependencia fuerte. Una compaa manufacturera no puede hacer todo. Slodebe hacer ciertas cosas y hacerlas bien. La capacidad de manufactura se refiere a laslimitaciones 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 deproceso, 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 plantasrealizan operaciones de maquinado, otras convierten lingotes de acero en lmina, y unas msconstruyen automviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una plantade laminacin no puede fabricar autos. La caracterstica subyacente que distingue a esasplantas son los procesos que pueden ejecutar. La capacidad de procesamiento tecnolgicose relaciona de cerca con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se ajustana ciertos materiales, mientras que otros se adaptan a unos distintos. Al especializarse endeterminado proceso o grupo de procesos, la planta se especializa en forma simultneaen ciertos tipos de materiales. Las capacidades tecnolgicas de proceso incluyen no slolos procesos fsicos, sino tambin la experiencia que tiene el personal de la planta en dichastecnologas. Las compaas deben concentrarse en el diseo y la manufactura de productos queson compatibles con su capacidad tecnolgica de proceso. 21. 8 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaLimitaciones fsicas del producto Un segundo aspecto de la capacidad de manufactura loimpone el producto fsico. Una planta con un conjunto dado de procesos est limitada en lostrminos del tamao y el peso de los productos que pueden alojarse. Los productos grandesy pesados son difciles de mover. Para hacerlo, la planta debe equiparse con gras con lacapacidad de carga requerida. Piezas y productos pequeos que se fabrican en cantidadesgrandes se trasladan por medio de bandas u otros medios. La limitante del tamao y pesode un producto tambin se extiende a la capacidad fsica del equipo de manufactura. Lasmquinas de produccin tienen tamaos distintos. Las ms grandes deben utilizarse paraprocesar piezas grandes. El conjunto del equipo de produccin, manejo de materiales,capacidad de almacenamiento y tamao de planta, debe planearse para los productos queestn dentro de cierto rango de tamao y peso.Capacidad de produccin Una tercera limitante de la capacidad de una planta demanufactura, es la cantidad de produccin que puede obtenerse en un periodo de tiempodado (por ejemplo, mes o ao). Es comn llamar a dicha limitante de cantidad capacidadde planta, o capacidad de produccin, y se define como la tasa mxima de produccinque una planta puede alcanzar en condiciones dadas de operacin. Estas condiciones serefieren al nmero de turnos por semana, horas por turno, niveles de la mano de obradirecta, 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 deautomviles producido por una planta de ensamblado final. En estos casos, las produccionesson homogneas. En los casos en que las unidades de produccin no son homogneas, otrosfactores ms apropiados de medicin, son las horas hombre de capacidad productiva en untaller de maquinado que produce piezas varias.Los materiales, procesos y sistemas son los bloques constitutivos bsicos de lamanufactura, y las tres amplias reas temticas de este libro. A continuacin se dar unpanorama de dichos temas.1.2 LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURALa mayor parte de los materiales para ingeniera se clasifican en una de tres categorasbsicas: 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 manufacturasusceptibles de emplearse para obtener productos de ellos. Adems de las tres categorasbsicas, 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 adichos materiales. En los captulos 6 a 9, se estudian con ms detalle los cuatro tipos dematerial.1.2.1 MetalesLos metales que se emplean en la manufactura, por lo general son aleaciones, que estncompuestos de dos o ms elementos, con al menos uno en forma metlica. Los metales sedividen en dos grupos bsicos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.Metales ferrosos Los metales ferrosos se basan en el hierro: el grupo incluye acero yhierro colado. Dichos metales constituyen el grupo comercial ms importante, ms de lastres cuartas partes del peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene unuso comercial limitado, pero cuando se mezcla con carbono tiene ms usos y mayor valor 22. Seccin 1.2/Los materiales en la manufactura 9FIGURA 1.3 Diagrama de Venn que muestra los trestipos de materiales bsicos ms los compuestos.comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbono forman acero yhierro colado.El acero se define como una aleacin de hierro-carbono que contiene 0.02%-2.11% decarbono. Es la categora ms importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuenteque su composicin incluya otros elementos de la aleacin, tales como manganeso, cromo,nquel y molibdeno, para mejorar las propiedades del metal. Las aplicaciones del aceroincluyen 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 elmoldeado (sobre todo en el moldeado en arena verde). El silicio tambin est presente en laaleacin (en cantidades que van de 0.5% a 3%), y es frecuente que tambin se agreguen otroselementos para obtener propiedades deseables en el elemento fundido. El hierro colado seencuentra disponible en distintas formas, de las que la ms comn es el hierro colado gris; susaplicaciones incluyen bloques y cabezas para motores de combustin interna.Metales no ferrosos Los metales no ferrosos incluyen los dems elementos metlicosy sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones tienen ms importancia comercialque los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones dealuminio, cobre, oro, magnesio, nquel, plata, estao, titanio, zinc y otros metales.1.2.2 CermicosUn cermico se define como un compuesto que contiene elementos metlicos (o semime-tlicos)y no metlicos. Los elementos no metlicos comunes son oxgeno, nitrgeno ycarbono. Los cermicos incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos.Los productos cermicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante mi-lesde aos, incluyen: arcilla (se dispone de ella en abundancia, consiste en partculas finasde silicatos de aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la fabricacin deladrillos, baldosas y vajillas); slice (es la base para casi todos los productos de vidrio); yalmina y carburo de silicn (dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado).Los cermicos modernos incluyen algunos de los materiales anteriores, tales como laalmina, cuyas propiedades se mejoran en varios modos a travs de mtodos modernos deprocesamiento. Los ms nuevos incluyen carburos los carburos metlicos tales como elcarburo de tungsteno y el de titanio, se emplean mucho como materiales para herramientasde corte, y los nitruros los nitruros metlicos y semimetlicos como el nitruro de titanioy 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 y2) vidrios. Para cada tipo se requieren diferentes mtodos de manufactura. Los cermicoscristalinos se forman de distintos modos a partir de polvos que despus se calientan (a unatemperatura inferior del punto de fusin a fin de lograr la unin entre los polvos). Loscermicos vidriados (vidrio, sobre todo) se mezclan y funden para despus formarse enprocesos tales como el vidrio soplado tradicional. 23. 10 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufactura1.2.3 PolmerosUn polmero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas denominadasmeros, cuyos tomos comparten electrones que forman molculas muy grandes. Por lo general,los polmeros consisten en carbono ms uno o ms elementos tales como hidrgeno, nitrgeno,oxgeno y cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras: 1) polmeros termoplsticos otermovariables, 2) polmeros termoestables o termofijos, y 3) elastmeros.Los polmeros termoplsticos pueden sujetarse a ciclos mltiples de calentamientoy 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 unaestructura 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-sinasamino y epxicas. Aunque se emplea el nombre termoestable, algunos de dichospolmeros se curan por medio de mecanismos distintos del calentamiento. Los elastmerosson 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 CompuestosLos compuestos no constituyen en realidad una categora separada de materiales; sonmezclas de los otros tres tipos. Un compuesto es un material que consiste en dos o msfases que se procesan por separado y luego se unen para lograr propiedades superiores alas de sus constituyentes. El trmino fase se refiere a una masa homognea de material, talcomo 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 mezcladaen una segunda que se llama la matriz.Los compuestos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, madera), y se puedenproducir en forma sinttica. El tipo sintetizado es de mayor inters aqu, e incluye fibras devidrio en una matriz de polmero, por ejemplo fibra reforzada de plstico; fibras de polmerode 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 sustanciaaglutinante 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 destos, y la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos compuestoscombinan una resistencia elevada con el poco peso, y son apropiadas para aplicarlos encomponentes aeronuticos, carroceras de automviles, cascos de barcos, raquetas de tenis, ycaas de pescar. Otros compuestos son fuertes, duros y capaces de conservar dichas propiedadesa temperaturas elevadas, por ejemplo, las herramientas cortadoras de carburo cementado.1.3 PROCESOS DE MANUFACTURALos procesos de manufactura se dividen en dos tipos bsicos: 1) las operaciones delproceso, y 2) las del ensamblado. Una operacin del proceso hace que un material detrabajo pase de un estado de acabado a otro ms avanzado que est ms cerca del productofinal que se desea. Se agrega valor cambiando la geometra, las propiedades o la aparienciadel material de inicio. En general, las operaciones del proceso se ejecutan sobre partesdiscretas del trabajo, pero algunas tambin son aplicables a artculos ensamblados. Unaoperacin 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 11Fundicin,moldeado, etc.Procesosde deformacinRemocinde materialesTratamientotrmicoLimpieza y tratamientode superficiesRecubrimiento y procesosde deposicinSoldadura fuertey soldadura blandaSujetadoresroscadosMtodos de uninpermanenteProcesosde formadoProcesos de mejorade propiedadesOperacionesde procesamientoOperacionesde ensambleclasificacin de procesos de manufactura. La mayor parte de los procesos de manufacturaque se estudian en este libro se pueden observar en el disco de video digital (DVD) queviene adjunto. A lo largo del texto se dan avisos sobre dichos cortos de video. Algunos delos procesos bsicos que se emplean en la manufactura moderna datan de la antigedad(vase la nota histrica 1.2).Procesos demanufacturaOperaciones deprocesamientode superficiesProcesos de uninpermanenteEnsamblemecnicoProcesamientode partculasSoldadura autgenaUnin medianteadhesivosFIGURA 1.4 Clasificacin de los procesos de manufactura.Nota histrica 1.2 Materiales y procesos de manufacturaEn tanto que la mayor parte de los desarrollos histricosque constituyen la prctica moderna de la manufactura hantenido lugar slo durante los ltimos siglos (vase la notahistrica 1.1), varios de los procesos bsicos de fabricacindatan del periodo Neoltico (alrededor de 8000-3000 a. C.).Fue durante ese periodo que se desarrollaron procesos talescomo los siguientes: tallar y trabajar la madera, formar amano y cocer vasijas de arcilla, tallar y pulir piedra, hilar ytejer textiles, y teir la ropa.La metalurgia y el trabajo de los metales tambincomenzaron en el Neoltico, en Mesopotamia y otras reasalrededor del Mediterrneo. Se extendi hacia regionesde Europa y Asia o se desarroll en ellas de maneraindependiente. El ser humano primitivo encontraba el oro enla naturaleza en forma relativamente pura. Poda martillarlopara darle forma. Es probable que el cobre sea el primermetal que se extraa de yacimientos, lo que requera delfundido como tcnica de procesamiento. El cobre no podaser martillado con facilidad debido a que se endureca, ensu lugar, se le daba forma por medio de la fundicin (vasela nota histrica 10.1). Otros metales utilizados duranteeste periodo fueron la plata y el estao. Se descubri quela aleacin de cobre con estao produca un metal msfcil de trabajar que el cobre puro (poda usarse tanto lafundicin como el martillado). Esto anunci el periodoimportante que se conoce como la Edad de Bronce (alrededorde 3500-1500 a. C.).El hierro tambin fue fundido por primera vez durantela Edad de Bronce. Es posible que los meteoritos hayansido una fuente de ese metal, pero tambin se explotabanyacimientos. Las temperaturas requeridas para reducirel mineral de hierro a metal son significativamente ms 25. 12 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaelevadas que aquellas que se requieren para el cobre, loque hace ms difciles las operaciones de los hornos. Porla misma razn, otros mtodos de procesamiento tambineran ms difciles. Los primeros herreros aprendieronque cuando ciertas clases de hierro (los que contenancantidades pequeas de carbono) se calentaban losuficiente y despus se enfriaban por inmersin, se volvanmuy duras. Esto permita formar un borde muy afiladoy cortante en los cuchillos y armas, pero tambin hacaque el metal fuera quebradizo. Poda incrementarse ladureza con el recalentamiento a una temperatura msbaja, proceso conocido como templado. Lo que se hadescrito es, por supuesto, el tratamiento trmico delacero. Las propiedades superiores del acero ocasionaronque sustituyera al bronce en muchas aplicaciones(armamento, agricultura y artefactos mecnicos). Elperiodo de su utilizacin se denomin posteriormentecomo 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 yse inventaron tcnicas ms modernas para su fabricacin(vase la nota histrica 6.1).Los principios de la tecnologa de las mquinas herra-mientaocurrieron durante la Revolucin Industrial. En elperiodo de 1770 a 1850, se crearon mquinas herramientapara la mayora de los procesos de remocin de materialconvencionales, tales como perforar, tornear, rectificar,fresar, perfilar y cepillar (vase la nota histrica 22.1).Muchos de los procesos individuales anteceden en siglos alas mquinas herramienta; por ejemplo, perforar y aserrar(madera) datan de tiempos antiguos, y tornear (madera) seremonta a la poca de Cristo.Los mtodos de ensamble se empleaban en lasculturas antiguas para hacer barcos, armas, herramientas,implementos agrcolas, maquinaria, carruajes y carretas,1.3.1 Operaciones de procesamientomuebles y prendas de ropa. Los procesos incluansujetar con lianas y cuerdas, remachar y clavar, y soldar.Aproximadamente en tiempos de Cristo, se desarrollaronla soldadura con forja y la unin mediante adhesivos. Eluso extendido de tornillos, remaches y tuercas comosujetadores tan comn en el ensamble de hoy, requirila creacin de mquinas herramienta capaces de cortarcon exactitud las formas helicoidales que se requeran (porejemplo, el torno de Maudsley para cortar tornillos, 1800).No fue sino hasta alrededor de 1900 que se empezaron adesarrollar los procesos de soldadura autgena por fusincomo tcnicas de ensamble (vase la nota histrica 30.1).El caucho natural fue el primer polmero que se us enla manufactura (si se excluye la madera, que es un polmerocompuesto). El proceso de vulcanizacin, descubierto porCharles Goodyear en 1839, hizo del caucho un materialtil para la ingeniera (vase la nota histrica 8.2). Losdesarrollos posteriores incluan a los plsticos tales comoel nitrato de celulosa en 1870, la baquelita en 1900, elcloruro de polivinilo en 1927, el polietileno en 1932, y elnailon al final de la dcada de 1930 (vase la nota histrica8.1). Los requerimientos de procesamiento para losplsticos condujeron al desarrollo del moldeo por inyeccin(con base en el vaciado en molde, uno de los procesos defundicin de metales) y otras tcnicas para dar forma a lospolmeros.Los productos electrnicos han impuesto demandasinusuales a la manufactura en cuanto a miniaturizacin. Laevolucin de la tecnologa ha ido en direccin de agruparms y ms dispositivos en un rea cada vez ms pequeaen algunos casos, un milln de transistores en una piezaplana de material semiconductor que slo mide 12 mm (0.50in) por lado. La historia del procesamiento y el montajeelectrnicos se remonta a slo unas cuantas dcadas(vanse las notas histricas 35.1, 36.1 y 36.2).Una operacin de procesamiento utiliza energa para modificar la forma, las propiedadesfsicas o la apariencia de una pieza, a fin de agregar valor al material. Las formas de la energaincluyen la mecnica, trmica, elctrica y qumica. La energa se aplica en forma controladapor medio de maquinaria y herramientas. Tambin se requiere de la energa humana, perolos trabajadores se emplean por lo general para controlar las mquinas, supervisar lasoperaciones y cargar y descargar las piezas antes y despus de cada ciclo de operacin. Enla figura 1.1a) se ilustra un modelo general de operacin de procesamiento. El materialalimenta al proceso, las mquinas y herramientas aplican energa para transformar elmaterial, y la pieza terminada sale del proceso. La mayora de las operaciones de produccingeneran 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 esasformas.Por lo general se requiere ms de una operacin de procesamiento para transformar elmaterial de inicio a su forma final. Las operaciones se llevan a cabo en la secuencia particularque se requiere para alcanzar la geometra y condicin definidas por las especificacionesdel diseo. 26. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 13Se distinguen tres categoras de operaciones de procesamiento: 1) operaciones deformado, 2) operaciones de mejoramiento de una propiedad, y 3) operaciones de procesa-mientode una superficie. Las operaciones de formado alteran la geometra del materialinicial de trabajo por medio de varios mtodos. Los procesos comunes de formado incluyenal moldeado, la forja y el maquinado. Las operaciones de mejoramiento de una propiedadagregan 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 procesamientode una superficie se ejecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar material sobre lasuperficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes del recubrimiento son el cromado y elpintado. Los procesos de formado se estudian en las partes III a VI, y corresponden a lascuatro 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 seestudian en la parte VII.Procesos de formado La mayor parte de los procesos de formado aplican calor o fuerzasmecnicas o una combinacin de ambas para que surtan un efecto en la geometra delmaterial de trabajo. Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado. La clasificacinque se utiliza en este libro se basa en el estado del material de inicio, y tiene cuatrocategoras: 1) procesos de moldeado, en los que el material con que se comienza es unlquido calentado o semifluido que se enfra y solidifica para formar la geometra de lapieza; 2) procesos de sinterizado o procesamiento de partculas, en los que los materialesde inicio son polvos, que se forman y calientan con la geometra deseada; 3) procesos dedeformacin, en los que el material con que se comienza es un slido dctil (metal, porlo comn) que se deforma para crear la pieza; y 4) procesos de remocin de material, enlos que el material de inicio es un slido (dctil o quebradizo), a partir del cual se retiramaterial 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-marloa un lquido o a un estado altamente plstico (semifluido). Casi todos los materialesse pueden procesar de esta manera. Los metales, vidrios cermicos y plsticos pueden calen-tarsea temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en lquidos. El material enforma lquida o semifluida se vaca o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamadamolde, donde se enfra hasta la solidificacin, con lo que adopta la forma del molde. Lamayora 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 comnusado 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 ocermicos. Aunque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles formaa partir del procesamiento de partculas son muy similares. La tcnica comn involucra lapresin y el sinterizado, que se ilustran en la figura 1.6, en las que los polvos primero sefuerzan hacia una cavidad llamada matriz o dado a una gran presin, y despus se calientanpara unir las partculas individuales.FIGURA 1.5 Los procesos defundicin y moldeado comienzancon un material de trabajocalentado hasta alcanzar unestado fluido o semifluido. Losprocesos consisten en 1) vaciar elfluido en un molde, y 2) permitirque el fluido se enfre hastasolidificarse, despus de lo cual lapieza slida se retira del molde. 27. 14 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaEn los procesos de deformacin, la pieza inicial que se trabaja se conforma por medioFIGURA 1.6 Procesamientode partculas 1) el material deinicio es un polvo; el procesousual consiste en 2) presionary 3) sinterizar.de la aplicacin de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material seforme de este modo, debe ser suficientemente dctil para evitar que se fracture durante ladeformacin. Para incrementar su ductilidad (y por otras razones), es comn que antes dedarle forma, el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del puntode fusin. Los procesos de deformacin se asocian de cerca con el trabajo de los metales, eincluyen 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 dematerial de la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que resulta tienela geometra buscada. Los procesos ms importantes de esta categora son las operacionesde 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 cabocon el empleo de herramientas de corte ms duras y fuertes que el metal de trabajo. Otroproceso comn de esta categora es el rectificado. Otros procesos de remocin de materialse conocen como no tradicionales debido a que utilizan lser, haces de electrones, erosinqumica, descargas elctricas o energa electroqumica para retirar el material, en vez deherramientas de corte o rectificado.Cuando una pieza inicial de trabajo se transforma en una geometra subsecuente, esdeseable minimizar el desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformacin son mseficientes que otros, en trminos de conservacin del material. Los procesos de remocin demateriales (por ejemplo, el maquinado) tienden a desperdiciar material, tan slo por la formaen que operan. El material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en loreferente a la operacin unitaria. Otros procesos, tales como ciertas operaciones de fundiciny moldeado, con frecuencia convierten casi el 100% del material con que se comienza en elproducto final. Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicioFIGURA 1.7 Algunos procesosde deformacin comunes:a) forjado, en los que dosherramentales llamados dadoscomprimen la pieza de trabajo, loque ocasiona que adoptela forma de los dos dados; yb) extrusin, en la que se fuerzaa una palanquilla a fluir a travsde un dado, por lo que adopta laseccin transversal del orificio. 28. Seccin 1.3/Procesos de manufactura 15Buril de puntosencilloPiezade trabajoRotacin(pieza detrabajo)BrocaPiezaRotacinAvancede trabajo Pieza deTrabajoAgujeroAvanceRotacinFIGURA 1.8 Operaciones comunes de maquinado: a) torneado, en el que una herramienta de corte de un filo retira metal de una piezade 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 loque crea un agujero redondo; y c) fresado, en la que una pieza de trabajo se hace avanzar por un cortador giratorio con filos mltiples.en el producto, y no requieren maquinado posterior para alcanzar la geometra definitiva dela pieza, se llaman procesos de forma neta. Otros procesos que requieren de un maquinadomnimo 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 procesamientode una pieza se lleva a cabo para mejorar las propiedades mecnicas o fsicas del material detrabajo. Estos procesos no alteran la forma de la pieza, salvo de manera accidental en algunoscasos. Los procesos ms importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tra-tamientostrmicos, 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 untratamiento a base de calor que aglutina una pieza de metal pulverizado y comprimido.Procesamiento de una superficie Las operaciones de procesamiento de una superficie incluyen1) limpieza, 2) tratamientos de una superficie, y 3) procesos de recubrimiento y deposicin deuna pelcula delgada. La limpieza incluye procesos tanto qumicos como mecnicos para retirarde la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes. Los tratamientos de una superficieincluyen trabajos mecnicos tales como granallado y chorro de arena, as como procesos fsicostales como difusin e implantacin de iones. Los procesos de recubrimiento y deposicin deuna pelcula delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que setrabaja. Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodizacindel aluminio, el recubrimiento orgnico (llamado pintado), y el barnizado de porcelana. Losprocesos 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 parafabricar 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 otromaterial semiconductor) con objeto de crear el circuito microscpico.1.3.2 Operaciones de ensambladoEl segundo tipo bsico de operaciones de manufactura es el ensamblado, en el que dos o mspiezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectanya sea en forma permanente o semipermanente. Los procesos de unin permanente incluyenla soldadura homognea, soldadura fuerte, soldadura blanda, y unin mediante adhesivos.Forman una unin de componentes que no puede separarse con facilidad. Los mtodos deensamblado mecnico existen para sujetar dos (o ms) partes en una pieza que se puedeAvance de laherramientaDimetroinicialViruta oremanenteDimetro final,despus deltorneadoa) b) c)MaterialremovidoFresade corte 29. 16 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturadesarmar a conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros sujetadores mecnicos, sonmtodos tradicionales importantes de esta categora. Otras tcnicas de ensamblado mecnicoque forman una conexin permanente incluyen los remaches, ajustes de presin y ajustes deexpansin. En el ensamble de productos electrnicos, se emplean mtodos de unin y sujecinespeciales. Algunos de los mtodos son idnticos a los procesos anteriores o adaptaciones destos, por ejemplo, la soldadura blanda. El ensamblado electrnico se relaciona en primerlugar con el ensamble de componentes tales como paquetes de circuitos integrados a tarje-tasde circuitos impresos, para producir los circuitos complejos que se utilizan en tantos pro-ductosde la actualidad. En la parte VIII se estudian los procesos de unin y ensamblado, yen la IX, las tcnicas de ensamblado especiales para la electrnica.1.3.3 Mquinas de produccin y herramientasLas operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinaria y herramienta (ypersonas). El empleo extenso de maquinaria en la manufactura comenz con la RevolucinIndustrial. Fue en esa poca que las mquinas cortadoras de metal se desarrollaron ycomenzaron a utilizarse en forma amplia. Reciban el nombre de mquinas herramientaque eran mquinas impulsadas por energa para operar herramientas de corte que antesse usaban con las manos. Las mquinas herramienta modernas se describen con la mismadefinicin bsica, excepto que la energa es elctrica en lugar de hidrulica o de vapor, y sunivel de precisin y automatizacin es mucho mayor hoy da. Las mquinas herramientaestn entre las ms verstiles de todas las que se aplican en la produccin. Se empleanno slo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino tambin para elaborarcomponentes para otras mquinas de la produccin. Tanto en un sentido histrico como dereproduccin, la mquina herramienta es la madre de toda la maquinaria.Otras mquinas para la produccin incluyen prensas para las operaciones de estampado,martillos forjadores para forjar, molinos de laminacin para la fabricar lmina metlica,mquinas soldadoras para soldar, y mquinas de insercin para insertar componentes elec-trnicosen tarjetas de circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede alnombre del proceso.El equipo de produccin puede ser de propsito general o especial. El equipo depropsito general es ms verstil y adaptable a una variedad de trabajos. Se halla disponibleen el comercio para cualquier compaa manufacturera que quiera invertir en l. El equipode propsito especial por lo general est diseado para producir una pieza o un productoespecfico en cantidades muy grandes. La economa de la produccin en masa justificalas grandes inversiones en maquinaria de propsito especial a fin de alcanzar eficienciaselevadas en ciclos cortos de tiempo. sta no es la nica razn de ser del equipo de propsitoespecial, pero es la principal. Otra razn es que el proceso puede ser nico y el equipocomercial no se encuentre disponible. Algunas compaas con requerimientos nicos deproceso desarrollan su propio equipo de propsito especial.Por lo general, la maquinaria de produccin requiere herramientas que se integren en elequipo para el trabajo de la pieza o producto en particular. En muchos casos, el herramentaldebe disearse especficamente para la configuracin de la pieza o producto. Cuando se utilizacon equipo de propsito general, est diseada para ser intercambiable. Las herramientasse 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 herramientasestn diseadas como parte integral de la mquina. Debido a que es probable que para laproduccin en masa se empleen mquinas de propsito especial, las herramientas quiz nuncacambien, excepto para reemplazar componentes usados o reparar superficies desgastadas.El tipo de herramientas depende del tipo de proceso de manufactura. En la tabla 1.4se 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 17TABLA 1.4 Equipo de produccin y las herramientas que se emplean para varios procesosde manufactura.ProcesoFundicinMoldeadoLaminadoForjadoExtrusinEstampadoMaquinadoRectificadoSoldaduraEquipoaMquina de moldeadoMolino de laminacinMartillo o prensa forjadoraPrensaPrensaMquina herramientaRectificadoraSoldadoraa Tipos distintos de dispositivos y equipos para fundir (vase el captulo 11).1.4 SISTEMAS DE PRODUCCINHerramientas 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 lminametlica)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)Para operar con eficacia, una empresa de manufactura debe tener sistemas que le permitan llevara cabo con eficiencia su tipo de produccin. Los sistemas de produccin consisten en personas,equipos y procedimientos diseados para combinar materiales y procesos que constituyenlas operaciones de manufactura de la compaa. Los sistemas de produccin se dividen endos categoras: 1) instalaciones de produccin, y 2) sistemas de apoyo a la manufactura. Lasinstalaciones de produccin se refieren al equipo fsico y su arreglo dentro de la fbrica. Lossistemas de apoyo a la manufactura son los procedimientos utilizados por la compaa paraadministrar la produccin y resolver los problemas tcnicos y logsticos que se encuentran enla ordenacin de los materiales, el movimiento del trabajo por la fbrica, y asegurar que losproductos satisfagan estndares de calidad. Ambas categoras incluyen personas. Son staslas que hacen que los sistemas funcionen. En general, la mano de obra directa (trabajadoresde 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 produccinLas instalaciones de produccin consisten en el equipo de produccin y el de manejo demateriales. El equipo entra en contacto fsico directo con las piezas o ensambles durantesu fabricacin. Las instalaciones tocan el producto. stas tambin incluyen la manera enque el equipo se acomoda dentro de la fbrica la distribucin de la planta (layout). Por logeneral, el equipo se organiza en agrupamientos lgicos, llamados sistemas de manufactura,tales como una lnea de produccin automatizada, o una celda de manufactura que consisteen un robot industrial y dos o ms mquinas herramienta.Una compaa de manufactura trata de disear sus sistemas de manufactura y organizarsus fbricas para que sirvan a la misin particular de cada planta del modo ms eficiente. A lolargo de los aos, ciertos tipos de instalaciones de produccin han llegado a ser reconocidoscomo la forma ms apropiada de organizar una combinacin dada de diversos productosy cantidad de produccin, segn se estudi en la seccin 1.1.2. Se requieren instalacionesdiferentes 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), esfrecuente 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 31. 18 Captulo 1/Introduccin y panorama de la manufacturaDepartamentosProductoEquipo(mvil)Unidadde trabajoMquinasde produccina)Celda Celdac)b)Estacinde trabajo Equipo Bandad )TrabajadoresTrabajadorTrabajadoresvFIGURA 1.9 Tipos distintos de distribucin de planta, a) distribucin de posiciones fijas, b) distribucin por procesos, c) distribucincelular, y d) distribucin por productos.que stos sean complejos, tales como cpsulas espaciales, aviones prototipo y maquinariaespecial. El equipo de un taller de trabajo es de propsito general y el personal est muycapacitado.Un taller de trabajo debe disearse para tener flexibilidad mxima a fin de poderenfrentar las variaciones amplias que se encuentren en el producto (variedad dura deproducto). Si el producto es grande y pesado, y por tanto difcil de mover, es comn quepermanezca en una sola ubicacin durante su fabricacin o ensamble. Los trabajadores y elequipo de procesamiento van al producto, en vez de moverlo hacia el equipo. Este tipo dedistribucin 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 maquinariapesada. En la prctica, por lo general esos productos se construyen en mdulos grandes, enubicaciones nicas, y despus los mdulos terminados se renen para el ensamble final pormedio de gras de gran capacidad.Con frecuencia, los componentes individuales de esos productos grandes se elaboranen fbricas en las que el equipo est situado de acuerdo con su funcin o tipo. Este acomodose denomina distribucin por procesos. Como se aprecia en la figura 1.9b), los tornos estnen un departamento, las fresadoras en otro, y as sucesivamente. Las distintas piezas,cada una de las cuales requiere una secuencia distinta de operaciones, se conducen porlos departamentos en el orden particular que se necesita para procesarlas, por lo generalpor lotes. La distribucin por procesos es notable por su flexibilidad; puede albergar unagran variedad de secuencias de operaciones para configuraciones distintas de las piezas.Su desventaja es que la maquinaria y mtodos para producir una pieza no estn diseadospara alcanzar una eficiencia elevada.Produccin de cantidad media En el rango de cantidad media (100 a 10 000 unidadespor ao), se distinguen dos tipos diferentes de instalaciones, en funcin de la variedad deproductos. Cuando la variedad del producto es dura, el enfoque principal es la produccin 32. Seccin 1.4/Sistemas de produccin 19por lotes, en la que se fabrica un lote de un producto, despus de lo cual el sistema demanufactura se cambia para producir un lote de otro producto, y as sucesivamente. La tasade produccin del equi