MATERIALES, PROCESOS Y SISTEMAS I I 1 II I

M A T E R I A L E S , P R O C E S O S Y S I S 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 manufactura, CAD CAM. rebotica con una rapidez que no tiene precedentes. Para ayudar a los lectores a mantenerse actualizados este libro tan oportuno enfoca los procesos de manufactura conjuntamente 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 anlisis cuantitativo de los procesos involucrados.

Ofrece un tratamiento mas uniforme de los materiales de ingeniera (metales, cermica. 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 para el procesamiento que identifica los procesos de manufactura principales para un material dado.

' En muchas de las secciones de captulos sobre procesamiento, el libro incorpora Consideraciones sobre eldseo de productos, que presentan guias aceica 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 histrico de referencia para la tecnologa cubierta.

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ISBN 968-880-846-6 90000

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MIKELL P. GRQOVER

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FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Materiales, Procesos y Sistemas

Mikell P. Groover Professor of Industrial and Manufacturing

Systems Engineering Lehigh University

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

Miguel ngel Martnez Sarmiento Traductor

Revisin tcnica: Ing. Francisco J. Sandoval Palafox Ingeniero metalurgista Universidad Autnoma Metropolitana Profesor ITESM Campus Estado de Mxico

1 Pearson 1 1 Educacin 1

MXICO ARGENTINA BRASIL COLOMBIA COSTA RICA CHILE ESPAA GUATEMALA PERO PUERTO RICO VENEZUELA

EDICIN EN INGLS: Acquisitlons editor: Willlam Slenqulsl Editonal/production supervisin: Raeia Maes Cover Design: Jeannette Jacobs Buyer: Donna Suilivan

GROOVER: FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA Materiales, Procesos y Sistemas 1a. Ed.

Traducido del ingls de la abra: FUNDAMENTALS OF MODEN MANUFACTURING. Materials. Processes. and Syslems 1a. Ed.

All rights reserved. Authonzed trans'ation (rom English language edilion 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 part ol this book may be reproduced or transmitted in any form or Dy any means, electrontc or mechanical, including photocopying, recording or by any mformation storage and retneval system, without permission in writing (rom the publlsher.

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. Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico, C.P. 53370 ISBN 968-880-846-6

Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial. Reg. Nm 1524 moenMMttDwxmat,iA.otc.v

_ _ CAUCHtAM0>fa.l.OCAt A Original English Language Edition Published by Prentice-Hall Inc. A Simn & Schuster Company. ca.unmsjxia.oM*tmix. CooynghlQMCMXCVI m u a f t o f . All riqhts reserved " * y c ? l m c A n * w w &

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IMPRESO EN MXICO/PRINTED IN MXICO

A George E. Kane

I

CONTENIDO Prefacio xiii

Acerca del autor xv

Sistema de unidades y smbolos usados en este texto xviii

1 INTRODUCCIN / 1.1 Qu es manufactura? 3 1.2 Los materiales en la manufactura 9 1.3 Procesos de manufactura 12 1.4 Sistemas de produccin 20 1.5 Imgenes de la manufactura 24

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

2 NATURALEZA DE LOS MATERIALES 27

2.1 La estructura atmica y los elementos 28 2.2 Enlaces entre tomos y molculas 30 2.3 Estructuras cristalinas 32 2.4 Estructuras no cristalinas (amorfas) 38 2.5 Materiales de ingeniera 40

3 PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES 43 3.1 Relaciones esfuerzo-deformacin 44 3.2 Dureza 57 3.3 Efecto de la temperatura en las propiedades 61 3.4 Propiedades de los fluidos 62 3.5 Comportamiento viscoelstico de los polmeros 65

4 PROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES 73 4.1 Propiedades volumtricas y de fusin 74 4.2 Propiedades trmicas 77

V Contenido

4.3 Difusin de masa 79 4.4 Propiedades elctricas 80 4.5 Procesos electroqumicos 83

5 DIMENSIONES, TOLERANCIAS Y SUPERFICIES 86

5.1 Dimensiones, tolerancias y atributos afines 87 5.2 Superficies 88 5.3 Efecto de los procesos de manufactura 94

6 FRICCIN, DESCASTE Y LUBRICACIN 99 6.1 Friccin 99 6.2 Desgaste 102 6.3 Lubricacin 704

Parte II Materiales de ingeniera

7 METALES 109

7.1 Aleaciones y diagramas de fase 710 7.2 Metales ferrosos 7 74 7.3 Metales no ferrosos 737 7.4 Superaleaciones 143 7.5 Gua para el procesamiento de metales 745

8 TRATAMIENTO TRMICO DE LOS METALES 149 8.1 Recocido 750 8.2 Formacin de martensita en el acero 750 8.3 Endurecimiento por precipitacin 754 8.4 Endurecimiento superficial 756 8.5 Mtodos e instalaciones para tratamiento trmico 757

9 MATERIALES CERMICO 162 9.1 Estructura y propiedades de los materiales cermicos 764 9.2 Cermicos tradicionales 766 9.3 Nuevos materiales cermicos 769 9.4 Vidrio 172 9.5 Algunos elementos importantes relacionados

con los materiales cermicos 177 9.6 Gua para el procesamiento de los materiales cermicos 7 SO

10 POLMEROS 183 10.1 Fundamentos de la ciencia y tecnologa de los polmeros 766 10.2 Polmeros termoplsticos 796 10.3 Polmeros termofijos 204

Contenido

10.4 Elastmeros 208 10.5 Gua para el procesamiento de los polmeros 277

1 1 MATERIALES COMPUESTOS 220

11.3 Tecnologa y clasificacin de los materiales compuestos 221

11.2 Compuestos en matriz metlica 230 11.3 Compuestos en matriz cermica 233 11.4 Compuestos en matriz polimrica 234 11.5 Gua para el procesamiento de los materiales compuestos 237

Parte III Fundicin, moldeo y procesos afines

1 2 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIN DE METALES 240 12.1 Resumen de la tecnologa de fundicin 242 12.2 Calentamiento y vaciado 244 12.3 Solidificacin y enfriamiento 248

1 3 PROCESOS DE FUNDICIN DE METALES 260 13.1 Fundicin en arena 261 13.2 Procesos alternativos de fundicin en moldes desechables 266 13.3 Procesos de fundicin en molde permanente 272 13.4 Prctica de la fundicin 281 13.5 Calidad de la fundicin 285 13.6 Metales para fundicin 287 13.7 Consideraciones para el diseo de productos 289

1 4 TRABAJO EN VIDRIO 295

14.1 Preparacin y fusin de materias primas 296 14.2 Procesos para dar forma en el trabajo del vidrio 296 14.3 Tratamiento trmico y acabado 303 14.4 Consideraciones para el diseo de productos 305

1 5 PROCESOS DE CONFORMADO PARA PLSTICOS 308 15.1 Propiedades de los polmeros fundidos 310 15.2 Extrusin 313 15.3 Produccin de lminas y pelculas 323 15.4 Produccin de filamentos y fibras (hilandera) 326 15.5 Procesos de recubrimiento 327 15.6 Moldeo por inyeccin 328 15.7 Moldeo por compresin y transferencia 339 15.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 341 15.9 Termoformado 346

Contenido

16

17

15.10 Fundicin (colado) de plstico 350 15.11 Procesamiento y formado de espumas de polmeros 351 15.12 Consideraciones para el diseo de productos 353

TECNOLOGA DE PROCESAMIENTO DE HULE 360 16.1 Procesamiento y formado del hule 361 16.2 Manufactura de llantas y otros productos de hule 366 16.3 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 378 17.3 Procesos en molde cerrado 383 17.4 Embobinado de filamentos 386 17.5 Procesos de pultrusin 388 17.6 Otros procesos de formado para P.V1C 390

Parte IV Procesamiento de partculas para metales y cermicos

1 8 METALURGIA DE POLVOS 393

18.1 Caracterizacin de los polvos en ingeniera 396 18.2 Produccin de polvos metlicos 399 18.3 Prensado convencional y sintetizado 402 18.4 Alternativas de prensado y tcnicas de sintetizado 408 18.5 Materiales y productos para metalurgia de polvos 4 71 18.6 Consideraciones de diseo en metalurgia de polvos 472

1 9 PROCESAMIENTO DE PRODUCTOS CERMICOS Y CERMETS 419 19.1 Procesamiento de productos cermicos tradicionales 420 19.2 Procesamiento de nuevos cermicos 427 19.3 Procesamiento de Cermets 430 19.4 Consideraciones para el diseo de productos 432

Parte V Formado de metal y trabajo de metales

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES 435 20.1 Panorama del formado de metales 436 20.2 Comportamiento del material en el formado de metales 438 20.3 Efecto de la temperatura en el formado de metales 439 20.4 Efecto sobre la velocidad de deformacin 441 20.5 Friccin y lubricacin 444

20

Contenido X

21 DEFORMACIN VOLUMTRICA (MASIVA) EN EL TRABAJO DE METALES 447

21.1 Laminado 448 21.2 Forjado 458 21.3 Extrusin 475 21.4 Estirado de alambres y barras 487

22 TRABAJADO METLICO DE LMINA 500 22.1 Operaciones de corte 501 22.2 Operaciones de doblado 508 22.3 Embutido 573 22.4 Otras operaciones de formado de lminas metlicas 520 22.5 Dados y prensas para procesos con lminas metlicas 523 22.6 Operaciones de lminas metlicas no realizadas en prensas 530 22.7 Doblado de material tubular 536

Parte VI Procesos de remocin de material

23 TEORA DEL MAQUINADO DE METALES 543 23.1 Panorama general de la tecnologa del maquinado 544 23.2 Teora de la formacin de viruta en el maquinado de metales 548 23.3 Relaciones de fuerza y la ecuacin de Merchant 552 23.4 Relaciones entre potencia y energa en el maquinado 558 23.5 Temperatura de corte 562

24 TECNOLOGA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE 568 24.1 Vida de las herramientas 569 24.2 Materiales para herramientas 575 24.3 Geometra de las herramientas 584 24.4 Fluidos para corte 588

2 5 OPERACIONES DE MAQUINADO Y MQUINAS HERRAMIENTA 595 25.1 Torneado y operaciones afines 596 25.2 Taladrado y operaciones afines 605 25.3 Fresado 67 7 25.4 Centros de maquinado y centros de torneado 679 25.5 Otras operaciones de maquinado 622 25.6 Forma, tolerancia y acabado superficial 629 25.7 Maquinabilidad 637 25.8 Seleccin de las condiciones de corte 639 25.9 Consideraciones para el diseo del producto en maquinado 645

X Contenido

27

26 ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS 655 26.1 Esmerilado 657 26.2 Procesos abrasivos relacionados 674

MAQUINADO NO TRADICIONAL Y PROCESOS DE CORTE TRMICO 681 27.1 Procesos de energa mecnica 682 27.2 Procesos electroqumicos de maquinado 686 27.3 Procesos de energa trmica 690 27 .4 Maquinado qumico 700 27.5 Consideraciones para la aplicacin 706

Parte Vil Procesos de unin y ensamble

FUNDAMENTOS DE SOLDADURA 712 28.1 Panorama de la tecnologa de la soldadura 713 28.2 La unin por soldadura 717 28.3 La fsica de la soldadura 720 28.4 Caractersticas de una junta soldada por fusin 724

28

29

30

31

PROCESOS DE SOLDADURA 728 29.1 Soldadura con arco elctrico 729 29.2 Soldadura por resistencia 739 29.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible 747 29 A Otros procesos de soldadura por fusin 750 29.5 Soldadura en estado slido 753 29.6 Calidad de la soldadura 758 29.7 Soldabilidad 763 29.8 Consideraciones de diseo en soldadura 764

SOLDADURA FUERTE, BLANDA Y PEGADO CON UNIONES ADHESIVAS 770 30.1 Soldadura fuerte (soldadura con latn) 771 30.2 Soldadura blanda (soldadura con estao) 777 30.3 Uniones adhesivas 781

ENSAMBLE MECNICO 789 31.1 Sujetadores roscados 790 31.2 Remaches y ojetes (u ojillos) 796 31.3 Otros mtodos de ajuste mecnico 798 31.4 Otros mtodos de ajuste mecnico 801 31.5 Insertos de moldeo y sujetadores integrales 802 31.6 Diseo para ensamble 803

i

Contenido xi

Parte VIII Operaciones para el procesamiento de superficies

32 LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS DE SUPERFICIES 811 32.1 Limpieza qumica 812 32.2 Limpieza mecnica y preparacin de superficies 815 32.3 Difusin e implantacin de iones 817

33 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Y DEPOSICIN 821 33.1 Chapeado y procesos afines 822 33.2 Recubrimientos por conversin 326 33.3 Deposicin fsica de vapor 828 33.4 Deposicin qumica de vapor 831 33.5 Recubrimientos orgnicos 834 33.6 Esmaltado en porcelana y otros recubrimientos cermicos 838 33.7 Procesos de recubrimiento trmicos y mecnicos 839

Parte IX Tecnologas de manufactura en electrnica 34 PROCESAMIENTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS 844

34.1 Panorama del procesamiento de circuitos integrados 846 34.2 Procesamiento del silicio 850 34.3 Litografa 854 34.4 Procesos de formacin de capas utilizados en la fabricacin

de circuitos integrados 858 34.5 Integracin de los pasos de fabricacin 865 34.6 Encapsulado de circuitos integrados 867 34.7 Rendimiento en el procesamiento de circuitos integrados 872

35 ENSAMBLE Y ENCAPSULADO DE DISPOSITIVOS ELECTRNICO 878 35.1 Encapsulado de dispositivos electrnicos 879 35.2 Tableros de circuitos impresos 587 35.3 Ensamble de tableros de circuitos impresos 890 35.4 Tecnologa de montaje superficial 894 35.5 Tecnologa de conectores elctricos 899

Parte X La automatizacin y los sistemas de produccin 36 LNEAS DE PRODUCCIN 907

36.1 Fundamentos de las lneas de produccin 908 36.2 Lneas de ensamble manual 911 36.3 Lneas de produccin automatizadas 915

37 AUTOMATIZACIN PROGRAMABLE 924 37.1 Control numrico 925

Contenido

38 37.2 Robtica industria] 938 37.3 Controladores lgicos programables 944

TECNOLOGA DE GRUPOS Y SISTEMAS FLEXIBLES DE MANUFACTURA 957

38.1 Tecnologa de grupos 951 38.2 Sistemas flexibles de manufactura 957

Parte XI Funciones de apoyo en la manufactura

39 INGENIERA DE MANUFACTURA 966 39.1 Planeacin de procesos 967 39.2 Solucin de problemas y mejoramiento continuo 975 39.3 Diseo para capacidad de manufactura 976 39.4 Elaboracin rpida de prototipos 957

40 PLANEACIN Y CONTROL DE LA PRODUCCIN 985 40.1 Planeacin de agregados y el programa maestro de

produccin 987 40.2 Control de inventarios 988 40.3 Planeacin de requerimientos de materiales y de la capacidad 992 40.4 Produccin justo a tiempo 997 40.5 Control de piso de taller 999

41

42

MEDICIN E INSPECCIN 7006 41.1 Metrologa 7 007 41.2 Principios de inspeccin 7070 41.3 Instrumentos de medicin y calibradores convencionales 7073 41.4 Mediciones de superficies 7020 41.5 Tecnologas avanzadas de medicin e inspeccin 7024

CONTROL DE CALIDAD 1033

42.1 Qu es calidad? 7034 42.2 Capacidad de procesos 7035 42.3 Tolerancias estadsticas 7036 42.4 Mtodos de Taguchi 7039 42.5 Control estadstico de procesos 7043

NDICE 7053

PREFACIO El campo de la manufactura ha sido redescubierto 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. Muestro 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 "Ma-teriales, 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 ma-teriales de ingeniera y los sistemas de produccin. El texto es apropiado para varios niveles y planes de estudio de ingeniera. Espero que la cobertura temtica y la organizacin del texto resulte interesante y motive a los instructores de programas de ingeniera mecnica, industrial y de manu-factura. Tambin es un texto apropiado en cursos de ingeniera y tecnologa de los procesos de ma-nufactura. Finalmente, creo que el libro ser til a ingenieros practicantes y otras personas, como referencia sobre la tecnologa de manufactura.

Existen numerosos textos publicados acerca de procesos de manufactura. Por qu entonces la necesidad de agregar este libro a la lista? Como profesor nunca estuve satisfecho con ninguno de los textos existentes, he probado casi todos ellos varias veces durante los vein-ticinco 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 con-tinuacin:

nfasis en la ciencia de la manufactura y anlisis cuantitativo de los procesos de manu-factura.

> Un nmero mayor, que en otros textos, de problemas cuantitativos de ingeniera en los cap-tulos de procesos de manufactura

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

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

ACERCA DEL AUTOR Mikell P. Groover 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, licen-ciatura (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 pu-blicaciones incluyen ms de 60 artculos tcnicos y documentos para Industrial Engineering, HE Transaaions. ASME Transacttons. IEEE Spectrum, International Journal of Produaion 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 Mechanical Engineers (ASME), en el North American Manufacturing Research Institute (NAMRI). y en la Society of Manufacturing Engineers (SME); asimismo, es miembro asociado del Institute of Industrial En-gineers (HE).

Otros libros del autor

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

Zimmers, Jr.). Industrial Robotics: Technology, Progranimmg, and Application. McGraw-Hill Book Company.

1986 (coautor con V!. We s s , R. Nagel. y N. Odrey). Automation, Produaion Systems, and Computer Integrated Manufacturing, Prentice Hall. 1987.

UNIDADES ESTNDAR Y SMBOLOS UTILIZADOS EN ESTE LIBRO Ambas 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) abre-viaturas, (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.

Parmetro Un idad USCS (abreviatura! Unidad SI (abreviatura) Longitud

Masa Tiempo Fuerza Energa, trabajo Potencia Presin, esfuerzo Temperatura

pulgada (pulg), pie (ft)

libra masa (Ib) minuto (min), segundo (seg) libra fuerza (Ib) pie-libra (ft-lb) caballo de fuerza (hp) libra/pulgada cuadrada (lb/pulg2) grados Fahrenheit (F)

metro (m), milmetro imm) kilmetro (km) gramo (g) kilogramo (kg) segundo (s) Newton (N) Joule ()) Watt (W) Pascal (Pa) 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 nano-micro-mili-centi-kilo-mega-g'ga-

Smbolo n

m c k M C

Factor

io-9 i o-6 io-J o-2 103 1C6 10"

Ejemplo nanmetro micrmetro, micrn milmetro centmetro kilogramo megaPascal gigaPascal

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

Parmetro Longitud

rea

Volumen

Masa

Densidad

Equivalencia 0 pulg = 25.4 mm = 25.4 x 1CT3 m 0 pie = 12.0 pulg = 0.3048 m = 304.8 mm 0 yarda = 3.0 pie = 0.9144 m 0 milla = 5280 pies = 1609.34 m = 1.60934 km O u-pulg = 1.0 x 10"6 pulg = 25.4 x I0"1 pjn

1.0 pulg.2 = 0.64516 x !0-3m: = 645.l6mm2

1.0 pies- = 144 pulg2 = 92.90 x 10"3 m2

0 pulg3 = 16.387 x 10"6 m3 = 16.387 mm3 0 pies3 = 1728 pulg3 = 2.8317 x 10"2 m3

0 libras = 0.4536 kg 0 toneladas = 2.000 libras = 907.2 kg

.0 libras/pulg3 = 27.68 x 103 kg/m3

.0 libras/pies3 = 5.787 x Mr4 libras/pulg3 = 16.0184 kg/m3

Velocidad 1.0 pies/min = 5.08 x 10"3 m/s 1.0 rev/min = 0.10472 rad/seg

Aceleracin 1.0 pies/seg2 = 0.3048 m/seg2

Fuerza 1.0 libras = 4.4482 N

Momento de torsin 1.0 pies-libras = 1.356 N-m 1.0 pulg-libras = 0.113 N-m

Presin 1.0 libras/pulg2 = 6895 N/m2 = 6895 Pa = 6.895 x 10-3 MPa

Tensin 1.0 libras/pulg2 = 6.895 x 10"3 M/mm2 = 6.895 x 10~3 MPa

Energa, trabajo 1.0 pies-libras = 1.356 N-m = 1.356 I 1.0 pulg-libras = 0.113 N-m = 0.113 I

Calor, energa 1.0 Btu = 1055 I

Potencia 1.0 hp = 33,000 pies-libras/min = 745.7 |/s = 745.7 W 1.0 pies-libras/min = 2.2597 x 10"2 J/s = 2.2597 x 10"2 W

Calor especfico 1.0 Btu/libras-F = 1.0 Cal/g-C = 4.187 |/kg-C Conductividad trmica 1.0 Btu/hr-pulg-F = 2.077 x 10"2 )/s-mm-C

Expansin trmica 1.0 (pulg/pulg)/F = 1.8 (mm/mml/C

Viscosidad 1.0 libras-seg./pulg2 = 6895 N-s/m2 = 6895 Pa-s

4. CONVERSIN ENTRE USCS Y SI: La tabla anterior de equivalencias puede usarse para con-venir 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 equi-valente en unidades SI. multiplique el valor a convenir por el miembro derecho de la equivalencia en el enunciado conespondiente que aparece en la tabla anterior.

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

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

L = 3.25 pulg x (25.4 mm/pulg) 82.55 mm Ejemplo: El calor especfico del aluminio es 0.21 Btu/lb-F. Convierta este valor a J/kg-9C en el Systme International.

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

C = 0.21 Btu/lbm-F x (4184 J/kg-C/(Btu/lbm-F)) = 878.64 J/kg-C Conversin de SI a USCS: Para convenir el valor de un parmetro en unidades SI a su equivalente en unidades USCS, divida el valor a convenir por el miembro derecho de la equivalencia en el enun-ciado conespondiente que aparece en la tabla anterior.

Ejemplo: Conviena el rea A = 1000 mm2 a su equivalente en pulgadas cuadradas.

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

A = 1000 mm2/(645.16 mnr/pulg) = 1.55 pulg2

5. LISTA DE SMBOLOS UTILIZADOS EN EL TEXTO: Los siguientes smbolos se usan para re-presentar 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 algu-nas ocasiones se usa el mismo smbolo en diferentes ecuaciones, sin embargo esta circunstancia ocurre en captulos diferentes en donde hay poca probabilidad de confusin.

A rea como subndice en ciertas ecuaciones, pulg2 (mm :) A Distancia de aproximacin en una operacin de maquinado, pulg (mm) A Grado de anisotropa en ataque qumico A ngulo usado en algunas ecuaciones; puede ser subndice. A ngulo de doblez en doblado de lminas metlicas A' ngulo incluido, en doblado de lminas metlicas Ab ngulo incluido de la herramienta de doblado para lminas metlicas A rea final de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg2 (mm2) A0 rea original de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg2 (mm2) A rea de corte en corte de metales, pulg2 (mm2) AK 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 computadora BA Tolerancia del doblez en doblado de lminas metlicas, pulg (mm) b Dimensin de la seccin recta usada en algunas ecuaciones b Capacidad del almacenaje amortiguador en una lnea de produccin, pieza C Calor especfico, Btu/lb-F (J/kg-C) C Nmero de granos activos por pulgada cuadrada en una rueda de esmeril C Circunferencia o permetro de una seccin recta, pulg (mm) Cb Costo de producin para un lote de productos, S/lote Cc Costo por unidad en un ciclo de produccin en maquinado u otros procesos,

S/pieza Cg Velocidad de afilado para afilar una herramienta de corte, $/min Ch Costo de mantenimiento en inventario, S/pieza Cm Constante de molde Cm Costos del material por unidad de produccin, S/pieza C 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, S/pieza Csu Costo de montaje, S/montaje C, Costo de la herramienta, S/filo de corte C, Coeficiente del momento de torsin en precargado de un sujetador roscado CR Resolucin de control en un sistema 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 muestra D 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 material D Tamao de la apertura del dado en doblado de lminas metlicas, pulg (mm) D Densidad de puntos defectuosos en un circuito integrado D 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 Brinell. mm Db Dimetro de una lmina metlica til punzonada, pulg (mm) Dh Dimetro de una perforacin en punzonado de lminas metlicas, pulg (mm) Di Dimetro de indentacin en pruebas de dureza Brinell, mm Dp 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 ensamble dcldx Gradiente de concentracin en difusin dm Transferencia de masa en difusin ^max Mximo alargamiento posible en una operacin de laminado, pulg (mm) Mdulo de elasticidad, lb/pulg2 (MPa) Voltaje, voltios Eficiencia mecnica Eficiencia de lnea de produccin = proporcin del tiempo aprovechado en la lnea Eb Eficiencia del balanceo de lnea. EOQ Cantidad econmica de pedido, piezas en un pedido o lote e Deformacin de ingeniera pulg/pulg (mm/mm) e Abreviatura de exponente (exp) e Seal de error F Frecuencia de paros en una lnea de produccin, paros/ciclo F Fuerza como subndice en algunas ecuaciones, Ib (N) Fb 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) Fuerza normal a la fuerza cortante en corte de metal. Ib (N) j Fuerza cortante. Ib (N) F, Fuerza de empuje en corte de metal. Ib (N) FS Resistencia a la fatiga, lb/pulg2 (MPa) / 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 fr Velocidad de avance en una operacin de maquinado, pulg/min (mm/min) /i Eficiencia de transferencia de calor en soldadura

fi Eficiencia de fusin en soldadura G Mdulo cortante de elasticidad, lb/pulg2 (MPa) GF Factor G: la fuerza sobre un objeto dividida por su peso GR Relacin de amolado o afilado g Constante de aceleracin gravitacional, 32.2 pie/seg: (9.81 m/seg2) H Dureza del material H Energa calorfica, Btu (watt-seg, o J) H Horas de operacin durante un turno laboral, hrs // Calor neto disponible para soldar, Btu (J) HB Nmero de dureza Brinell HK Valor de dureza Knoop HP Caballo de fuerza, hp HPg Potencia neta de una mquina, hp HPU 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 de

dureza 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)

Altura de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm) hj 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 ngulo de inclinacin de la rueda reguladora en esmerilado sin centros Subndice usado para identificar la secuencia de operaciones de produccin o

estaciones de trabajo en una lnea de produccin Interferencia en una pieza de agarre automtico, pulg (mm)

J Subndice utilizado para denotar elementos de trabajo en balanceo de lneas K Constante o factor en varias ecuaciones, puede usarse como subndice K Coeficiente de resistencia K Difusividad trmica, pulg2/seg (mm2/seg) Kba Factor para estimar la tolerancia de doblado, en doblado de lminas metlicas &bf Factor para estimar la fuerza de doblado en doblado de lminas metlicas Kf 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 extrusin * Conductividad trmica, Btu/pulg-hr-F (J/seg-mm-C) kr Conductividad trmica relativa, con relacin al cobre = 1.0 L Longitud, amplitud de ejes, o dimensiones similares, pulg (mm)

r Longitud de contacto entre el material de trabajo y el dado en estirado. pulg (mm)

H Longitud final de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm) Longitud original de la pieza de trabajo o espcimen de prueba, pulg (mm) L

Lp Longitud del permetro, pulg (mm)

L 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 estirado M Nivel de ocupacin en una estacin de trabajo, trabajadores/estacin MLT Tiempo gua de manufactura, hrs MR Valoracin de la maquinabilidad, expresada en relacin a una base de 1.00 MRR 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 dimensin NR Radio de la nariz en una herramienta de corte, pulg (mm) n Exponente de endurecimiento por deformacin n Exponente en la ecuacin de Taylor en la vida de una herramienta n Nmero de cuerdas por pulgada n Nmero de estaciones de trabajo en una lnea o sistema de produccin n Nmero de elementos en una muestra nc Nmero de circuitos o celdas de memoria en un circuito integrado n

Q Cantidad de partes en un lote, pieza/ lote; n m e r o de unidades produc idas por ao . p ieza /ao , e tctera

Q Velocidad de flujo volumtr ico de un fluido, pulg 3 / seg (m 3 / seg) Qh Velocidad de flujo a contra pres in en extrusin de plst icos, pu lg ' / s eg

(m-Vseg) Qd Velocidad de flujo de arrastre de un fluido, pulg3 /seg (m 3 / seg) Q, Velocidad de flujo volumtr ico en extrusin de plsticos, pu lg 3 / seg (m 3 / seg) q Velocidad de deshechos o velocidad de fraccin defectuosa R Resistencia elctr ica, o h m s R Radio, subndice en algunas ecuaciones, pulg (mm) R Rango de una distribucin estadstica, usado en grficas de control Ra Rugosidad real de superficie, media aritmtica, pulg (mm) Rc Velocidad ideal o terica de produccin, pieza/hr /?, Rugosidad ideal de superficie, (media aritmtica) determinada slo por

factores geomtricos, pulg (mm) R Rapidez promedio de produccin, pieza/hr R 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 formado r0, Relacin de la rugosidad real contra la ideal r(. Razn del espesor de viruta en corte de metales rg Relacin del aspecto del grano en esmerilado rg Relacin de engrane rr Reduccin del espesor del material en laminado, pulg (mm) r, Razn de hinchado en extrusin de plsticos (polmeros), pueden usarse

subndices adicionales rx Relacin de extrusin, rea de la seccin recta original entre el rea final S Resistencia al corte, lb/pulg2 (MPa) S Contraccin en moldeo de plsticos, pulg/pulg (mm/mm) S Nmero de turnos: puede ser subndice, por ejemplo, tumos/semana SB Retorno elstico en doblado de lminas metlicas SF Factor de seguridad SR Resolucin espacial para un sistema de posicionado, pulg (mm) s Deslizamiento en la operacin de laminado sp 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 ecuaciones T 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/pieza Td Tiempo perdido promedio por ocurrencia de paro en la lnea, minuto Tej Tiempo para ejecutar un elemento mnimo de trabajo racional j en una lnea

' de produccin , minuto

i :

Tg Temperatura de transicin vitrea. F (C) Tg Tiempo de afilado de una herramienta de corte, minuto Th Tiempo de manejo (carga y descarga) por pieza de trabajo, min/pieza Tm Temperatura de fusin. F (C) Tm Tiempo de maquinado real de una pieza de trabajo, min/pieza ?mix v ' a a de la herramienta para mxima rapidez de produccin, minuto ^min Vida de la herramienta para mnimo costo de maquinado, minuto Tp 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 Ts Tiempo de servicio, suma de los tiempos elementales ejecutados en una

estacin de trabajo, subndice en ocasiones, minuto Tsu Tiempo de montaje, min/loie 7", Tiempo de tolerancia en una lnea de ensamble manual, minuto T, Tiempo de cambio de herramienta, min/herramienta Tu 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, minuto

7"wc T i e m p o del contenido total de t rabajo, en el t rabajo por hacer en una lnea de producc in , minuto

TIC Costo total anual del inventario. S/ao TRS Resistencia a la ruptura transversal, lb/pulg2 (MPa) TS Resistencia a la tensin, lb/pulg: (MPa) TST Tiempo de solidificacin total en fundicin, minuto t Variable tiempo, segundo, minuto u hora f 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) tf Espesor final del material despus de la operacin, pulg (mm) t0 Espesor final del material antes de la operacin, pulg (mm) t0 Espesor de la viruta en maquinado antes del corte, pulg (mm) U Utilizacin (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 calidad u 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) ve Velocidad del transportador mvil en una lnea de produccin, pie/min (m/s) vmax Velocidad de corte para mx ima . r ap idez de produccin, pie/min (m/min) vmin Velocidad de corte para cos to mn imo , pie/min (m/min)

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 rueda

de esmerilado v ) , pie/min (m/min) Vfio 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 algunas

ecuaciones, 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 de

control Y Rendimiento en un proceso, puede ser subndice Y 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) v Desviacin vertical con respecto a la superficie nominal en rugosidad

superficial, pulg (mm) ce ngulo de paso en un motor de pasos o entre aberturas en un disco cifrador a Coeficiente de expansin trmica, pulg/pulg/F (mm/mm/C) ct ngulo de inclinacin de una herramienta de corte metlico ct ngulo del dado en extrusin o estirado P ngulo de friccin 6 Defleccin del corte e Deformacin real, pulg/pulg (mm/mm) &( Deformacin por extrusin, pulg/pulg (mm/mm) Y Deformacin cortante, pulg/pulg (mm/mm) 0 ngulo usado en varias ecuaciones p. Coeficiente de friccin Factor que considera deformacin no homognea en estirado ngulo de corte p Densidad, lb/pulg3 (g/mm3) G Esfuerzo real, lb/pulg2 (MPa) o Desviacin estndar en una distribucin normal de probabilidades ad Esfuerzo de estirado (real), lb/pulg2 (MPa) o. Esfuerzo de ingeniera, lb/pulg2 (MPa) T Constante de tiempo T Esfuerzo cortante, lb/pulg2 (Mpa)

INTRODUCCIN CONTENIDO DEL CAPTULO 1.1 Qu es manufactura?

1.1.1 Definicin de manufactura 1.1.2 Industrias manufactureras y productos 1.1.3 Capacidad de manufactura

1.2 Los materiales en la manufactura 1.2.1 Metales 1.2.2 Cermicos 1.2.3 Polmeros 1.2.4 Compuestos

1.3 Procesos de manufactura 1.3.1 Operaciones de proceso 1.3.2 Operaciones de ensamble 1.3.3 Mquinas de produccin y herramientas

1.4 Sistemas de produccin 1.4.1 Instalaciones para la produccin 1.4.2 Sistemas de apoyo a la manufactura

1.5 Imgenes de la manufactura

La manufactura 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 miembros 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 manufactura es un instrumento importante que permite a ui nacin crear riqueza material. Las industrias manufactureras en Estados Unidos represent; cerca del 2 0 % del producto nacional bruto (PNB). Los recursos naturales de un pas, tal

Captulo 1 / Introduccin

TABLA 1.1 Productos representativos de varias tecnologas, que impactan en su mayora a casi todas las personas. Zapatos para atleta Mquina parlante automtica Bolgrafo Telfono celular Reproductor de discos compactos Lentes de contacto Sedn 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 integrado Televisor a color de pantalla grande Aparato de diagnstico mdico por imagen de resonancia magntica Horno de microondas Silla de patio de una pieza moldeada en plstico Computadora personal Mquina fotocopiadora Correo electrnico Latas de bebida con lengeta para abrir Reloj de pulsera de cuarzo Llanta radial de automvil Podadora de csped autopropulsada Avin supersnico Raqueta 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 manu-facturero, pero dichos servicios no crean riqueza. En la moderna economa internacional, una na-cin necesita una slida base manufacturera (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-sanas y las armas; la artesana les permiti un mejor nivel de vida, las armas les permitieron con-quistar 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 civi-lizacin 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 ma-nufactura? Cmo se organiza en la industria? Cules son los materiales, los procesos y los sis-temas 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 QUE ES MANUFACTURA? La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (manos) yfactus (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 ma-nual 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 manufactura La 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 fabri-car 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, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. El mate-rial 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 trans-forma 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. Pro-duccin, 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 evi-dentemente 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.

/ / , / ff $ 8 M

O Materia prima

/ / / /

Proceso de manufactura

Material procesado

O Desechos y Desperdicios

O Material inicial

Procesos de manufactura

Valor agregado

- O Material en proceso

Materia! procesado

Capitulo 1 / Introduccin

Nota histrica 1.1 Historia de la manufactura

a historia de la manufactura puede dividirse en dos facetas. 11 el descubrimiento e invencin de los materiales y procesos para producir bienes y 2) el desarrollo de los sistemas de manufactura. Los materiales y procesos para la produccin anteceden a los sistemas de manufactura por varios milenios. Algunos de los procesos como fundicin, martillado (forjal 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 dfa. 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 sistemas de manufactura y dejemos para la nota histrica 1.2 los materiales y procesos. Los sistemas 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 impor-tante sobre el desarrollo de los sistemas modernos de fabricacin.

Un descubrimiento importante fue seguramente el principio de la divisin del trabajo 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 11723-1790) haber explicado por primera vez su importancia econmica

La Revolucin Industria/ (1760-18301 tuvo un impacto importante 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 mquinas 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 importantes sobre otras naciones; no obstante que Inglaterra intent restringir la exportacin de las nuevas tecnologas, la Revolucin Industrial se extendi eventualmente a otros pases europeos y a Estados Unidos. Este hecho histrico contribuy al desarrollo de la manufactura con las siguientes aportaciones; 11 la mquina de vapor de Watt, una nueva tecnologa generadora de fuerza motriz para la industria; 21 el desarrollo de mquinas herramienta, que se inicia con la mquina de taladrar de lohn Wilkinson alrededor de 1775 (vase nota histrica 25 I), 31 la invencin de la mquina de hilar, el telar a motor, y otros equipos para la industria textil que permitieron aumentos importantes 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 trabaio

Mientras Inglaterra tomaba la delantera en la Revolucin Industrial, en Estados Unidos se introduca un concepto importante: 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 mosquetes 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 mosquete era nico, y el tiempo para fabricarlos era considerable. Whitney pens que los componentes 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 demostrar el principio. Coloc ante funcionarios del gobierno, incluyendo a Thomas Jefferson. los componentes para 10 mosquetes, y procedi a seleccionar ai azar las partes para armarlos. No requiri ningn limado ni ajuste especial y los mosquetes funcionaron perfectamente. El secreto de su xito era el conjunto de mquinas especiales, accesorios y calibradores que haba desarrollado en su fbrica. La manu-factura de partes intercambiables requiri muchos aos de desarrollo antes de llegar a ser una realidad prctica, sin embargo revolucion los mtodos de manufactura al grado de convertirse

L

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 intercambiables vino a ser conocida como el Sistema 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 desarro-llaron nuevos mtodos de produccin de acero para satisfacer esta demanda (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 demanda masiva de estos productos se requirieron mtodos de produccin ms eficientes. Algunos historiadores identifican los desarrollos durante este periodo como la Segunda Revolucin Industrial caracteriza-da en trminos de sus efectos sobre los sistemas de manufactura por lo siguiente; 1) produc-cin en masa. 2) movimiento de administracin cientfica. 3) lneas de ensamble y 4) electrifi-cacin de las fbricas.

A finales del siglo XIX. se desarroll en Estados Unidos el movimiento de administracin cien-tfica 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 Tayior (1856-1915), Frank Gilbreath (1868-1924), su esposa Lillian (1878-1972) y otros. Los aspectos caractersticos de la administracin 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 desta/o con planes similares de incentivo al trabajo; y 5) uso de la recopilacin de datos, el mantenimiento de registros y la contabilidad de costos en las operaciones de fbrica.

Henry Ford (1863-1947) introdujo la lnea de ensamble 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 modelo T a slo 500 dlares, poniendo al alcance de un gran seg-mento de la poblacin americana 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 motores elctricos se comenzaron a usar como fuentes de poder para operar la maquinaria de las fbricas. ste era un sistema de distribucin de energa mucho ms conveniente que las mquinas de vapor que requeran bandas en el techo para transmitir 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 dems siglos juntos. Muchos de estos desarrollos han dado por resultado la automatizacin de la manufac-tura. Podramos mencionar algunos de los temas que se tratan en otras notas histricas de este libro; lneas de transferencia, control numrico, robtica industrial, controladores lgicos programables y sistemas 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 consu-midores. 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 manufac-tura, 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.

Capitulo 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 ma-nufactura. 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 pre-sentan las listas de industrias especficas en cada categora.

TABLA 1.2 Industrias especficas en las categoras primaria, secundaria y terciaria, sobre la base aproximada a la International Standard Industrial Classification (ISIC) usada por Naciones Unidas.

Primarias Secundarias Terciarias (servicios) Agricultura Forestal Pesca Ganadera Canteras Minera Petrleo (extraccin)

Aerospacial Bisutera y accesorios Automotriz Metales bsicos Bebidas Materiales para la construccin Productos qumicos Computadoras Construccin Enseres domsticos Electrnica Equipo Metales habilitados Procesamiento de alimentos Vidrio y cermica Maquinaria pesada Papel Refinacin de petrleo Productos farmacuticos Plsticos (formado) Instalaciones de generacin de energa Publicidad Textiles Llantas y productos de hule Madera y muebles

Banca Comunicaciones Educacin Entretenimiento Servicios financieros Gobierno Salud y servicios mdicos Hotelera Informacin Seguros Servicios legales Bienes races Reparacin y mantenimiento Restaurantes Comercio al detalle Turismo Transporte 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 indus-trias 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 produc-cin de equipo y herramientas, lo cual comprende desde tuercas y tornillos 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 capi-tal son aquellos que adquieren otras compaas para producir bienes o servicios. Ejemplos de bie-nes de capital son los aviones, las macro computadoras, los equipos de ferrocarril, las mquinas herramientas y el equipo de construccin.

Un horno 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).

Lmina 12

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 Lmina 10

Operacin manual de soldadura con arco (Joto cortesa de Lincoln Electric Compunyi.

Lmina 11

Operacin automtica de soldadura por puntos ejecutada por un robot industrial (foto cortesa de Ford Motor Company).

Seccin 1.1/ Qu es manufactura? 7

TABLA 1.3 Industrias manufactureras cuyos sistemas y procesos quedan probablemente incluidos en este l ibro.

Industria Productos tpicos

Aerospacial Aviones militares y comerciales Automotriz Automviles, camiones, autobuses y motocicletas Metales bsicos Hierro y acero, aluminio, cobre Computadoras Macros y microcomputadoras Enseres domsticos Aparatos para el hogar grandes y pequeos Electrnica Televisores, videograbadoras y equipos de audio Equipo Maquinaria industrial, equipo ferrocarrilero Metales habilitados Partes maquinadas, estampados metlicos, herramientas Vidrio, cermica Productos vitreos, herramientas cermicas, loza Maquinaria pesada Mquinas herramienta, equipo de construccin Plsticos (formado) Plsticos moldeados, extrusiones Llantas 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 sumi-nistros para las compaas que hacen los productos finales. Ejemplos de estos componentes inclu-yen 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 dis-cretos, 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. Muchas 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 instala-ciones y sus procedimientos. Las cantidades anuales de produccin pueden clasificarse en tres cate-goras: 1) baja produccin comprendida en un rango que va de 1 a 100 unidades por ao, 2) produc-cin 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 (ajuicio 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 anual-mente. 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. Pro-ductos 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 con-tarse 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 pro-bable que su cantidad de produccin sea baja; pero si su cantidad de produccin es alta, entonces

10 Captulo 1 / Introduccin

Compuestos I Metales 1 Compuestos m e l a l

" ^ 2 ^ i ^ - metal-polmeros cermicos / ^ " ^ ^ X / ^ 7 ^ ^ .

( Cermicos (A) 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 estudia-mos los cuatro tipos de materiales en forma ms detallada.

1.2.1 Metales

Los 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.

Metales ferrosos Los metales ferrosos se basan en el hierro: el grupo incluye acero y hie-rro 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 cual-quier 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 definir-se como una aleacin de hierro y carbono que contiene de 0.02 a 2.11% de carbono como mximo. Su composicin incluye frecuentemente otros elementos como manganeso, cromo, nquel y molibdeno para mejorar las propiedades del metal. El acero tiene aplicaciones en la industria de la construccin (puentes, perfiles estructurales y clavos), en el transporte (camiones, rieles y material laminado para ferrocarriles), y en productos de consumo (automviles y aparatos). Las razones de la popularidad del acero son: l)buena resistencia mecnica, 2) relativo bajo costo entre los metales y 3) facilidad de procesado en una gran variedad de procesos de manu-factura.

El hierro colado es una aleacin de hierro y carbn (2 a 4%) que se utiliza en fundicin (prin-cipalmente fundicin en arena). En esta mezcla tambin se encuentra presente el silicio (en canti-dades 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.

Metales no ferrosos Los metales no ferrosos comprenden los otros elementos metlicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones son ms importantes que los metales pu-ros comercialmente hablando. Los metales no ferrosos incluyen las aleaciones y los metales puros

Compuestos ce rmico-pol me ros

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 Cermicos Un material cermico se define comnmente como un compuesto que contiene elementos metli-cos (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 dia-mante. 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 panculas de silicatos hidrata-dos 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 (A1203) 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 materia-les 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 cermicos 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 cermicos 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 Polmeros

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

1) Polmeros termoplsticos. Los termoplsticos pueden someterse a mltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento sin alterar sustancialmente la estructura molecular del po-lmero. En esta categora podemos mencionar al polietileno. poliestireno, cloruro de poli-vinilo y nylon.

2) Polmeros termofijos. Estas molculas se transforman qumicamente (se curan) en una estructura rgida cuando se enfran despus de una condicin plstica por calentamiento, de aqu el nombre de termofijo. Algunas sustancias de esta familia son las resinas fen-licas, aminorresinas y resinas epxicas. Aunque se usa el trmino termofijo. algunos de estos polmeros se curan mediante mecanismos no trmicos.

3) Elastmeros. Estos polmeros exhiben un comportamiento elstico importante, de aqu el nombre de elastmero. En esta categora se encuentra el hule natural, el neopreno, las sili-conas y el poliuretano.

1.2.4 Compuestos Los materiales compuestos 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

Capitulo 1 / Introduccin

FIGURA 1.2 Relacin entre la variedad de productos y la cantidad de produccin en manufactura de productos discretos.

su variedad de productos ser baja. Esta relacin se representa en la figura 1.2. Las plantas manu-factureras 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 canti-dad 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 acon-dicionador 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 peque-a 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 ensambladura, aunque los estilos de carrocera y otros aspectos de diseo sean vir-tualmente los mismos. Otras compaas construyen camiones pesados en plantas diferentes. Podra-mos 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 varie-dad 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 traba-jadores) 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 manu-factura 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 ha-cerlas 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 pro-ducto, y 3) capacidad de produccin.

1 102 10* 106

Cantidad 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 proce-sos, 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 manufac-tura de los productos para los que su capacidad tecnolgica de proceso les permita una ventaja com-petitiva.

Limitaciones fsicas del producto Un segundo aspecto de la capacidad y aptitud de ma-nufactura 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 pueden 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 partes 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 pro-duccin, manejo de materiales, capacidad de almacenamiento y tamao de planta tenga que pla-nearse 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 plan-ta 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 turnos de trabajo por semana, horas por turno, 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 plan-ta ensambladura. En estos casos los productos son homogneos; en otros, donde las unidades pro-ducidas 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.

.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 manufac-tura que se usan para transformarlos en productos finales. Adems de estas tres categoras bsicas

12 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 procesamien-to 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 compuestos 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 polmero 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 uti-lizarse 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 tempe-raturas elevadas, como por ejemplo los buriles de carburo cementado.

1.3 PROCESOS DE MANUFACTURA Los procesos de manufactura pueden dividirse en dos tipos bsicos: 1) operaciones de proceso y 2) operaciones de ensamble. Una 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 figura 1.4 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 1.2 Materiales y procesos de manufactura

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 manufactura se remontan al periodo neoltico (alrededor de 8000 a 3000 a.C), durante este periodo se descubrieron algunos de los siguientes procesos: grabado y otros traba-ios ie 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 metales comenzaron tambin durante el neoltico en Mesopotamia y reas circundantes del Mediterrneo. Este arte se desarroll en forma indepen-diente y se extendi a otras regiones de Europa y Asia. El oro fue descubierto en la naturaleza por los primitivos seres humanos en forma relativamente pura, y as pudo ser martillado para darle forma. El cobre fue probablemente 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 acabo, debido a que el metal se endureca al deformarse, se prefiri darle forma mediante

A

i

Seccin 1.3 / Procesos de manufactura

Procesos de manufactura

Operaciones de procesamiento

Procesos de formato

Procesos de mejora de propiedades

Operaciones de procesamiento de superficies

| L

Operaciones de ensamble

Procesos de unin permanente

Ensamble mecnico

Fundicin, moldeado, etctera.

Procesado de partculas

Procesos de deformacin

Remocin de material

Tratamientos trmicos

Limpieza y tratamiento de superficies

Recubrimiento y procesos de deposicin

Soldadura trmica

Soldado fuerte y

soldado blando

Pegado con adhesivos

Sujetadores roscados

Mtodos de unin permanente

FIGURA 1.4 Clasificacin de procesos de manufactura.

el vaciado (vase nota histrica 12.1). Otros metales 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 importante 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 meteoritos hayan sido la fuente, sin embargo, tambin pudo obtenerse como beneficio del mineral de hierro. Las temperaturas requeridas para reducir el mineral de hierro a metal son

14 Captulo 1 / Introduccin

significativamente ms elevadas que para el cobre, lo cual hizo ms difcil la operacin de los hornos; otros mtodos de proceso eran an ms difciles por la misma razn Los primeros herreros aprendieron que ciertas clases de hierro (que contenan cantidades pequeas de car-bn i alcanzaban mayor endurecimiento cuando se calentaban lo suficiente y despus se templaban. Esto permita afilar meior los cantos de sus cuchillos y armas, pero haca frgil al metal. Se poda aumentar la tenacidad del metal recalentndolo a una temperatura menor. proceso conocido como 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 (armamento, 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 demanda del acero creci significativamente y se desarrollaron tc-nicas ms modernas de elaboracin del acero (vase la nota histrica 7.1).

Los principios 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 mquinas herramienta por siglos; por ejemplo, el taladrado y aserrado (de maderal datan de tiempos muy antiguos, y el torneado (de madera) se remonta al ao 1 d.C.

Los mtodos de ensamble se usaron en culturas antiguas para hacer buques, armas, he-rramientas. implementos de labranza, maquinaria, carros, muebles y prendas de vestir. Los pro-cesos incluyeron el amarre con sogas y cordeles, remactaao 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 comunes hoy, requirieron del desarrollo de mquinas herramienta (como el torno formador de tornillos de Maudsley en 1800) que pudieran formar con precisin las formas helicoidales requeridas. Alrededor de 1900 se iniciaron los procesos de soldadura perfusin 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 compuesto). 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 impuesto demandas inusitadas a la manufactura desde el punto de vista de la miniaturizacin. La evolucin de la tecnologa se ha dado en el encapsula-do 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 solamente 0.25 pulg (6 mm) por lado. La historia del procesamiento de dispositivos electrnicos y su encapsulado datan de unas pocas dcadas atrs (vanse las notas histricas 34 1, 35.1 y 35.2).

1.3.1 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 mecni-ca, 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 general-mente 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 des-perdicios. ya sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo, material removido en maquina-do) o en la forma de ocasionales piezas defectuosas. Un objetivo importante en la manufactura es la reduccin del desperdicio en cualquiera de estas formas.

Comnmente se requiere ms de una operacin de proceso para transformar el material ini-cial a su forma final. Las operaciones se realizan en una sucesin particular que se requiera para lograr la geometra y las condiciones definidas por las especificaciones de diseo.

Se distinguen tres categoras de operaciones de proceso: 1) operaciones de formado, 2) ope-raciones para mejorar propiedades y 3) operaciones de procesado de superficies. Las operaciones de formado alteran la geometra del material inicial de trabajo mediante diversos mtodos que incluyen los procedimientos comunes de fundicin, forjado y maquinado. Las operaciones para mejorar propiedades agregan valor al material con la mejora de sus propiedades fsicas sin cam-biar su forma; el tratamiento trmico es el ejemplo ms comn. Las operaciones de procesado de superficies tienen por objeto limpiar, tratar, revestir o depositar materiales en la