1

1. Fundamentos de Diseño Mecánico

2. Materiales en el Diseño de Máquinas

3. Coeficiente de Seguridad en el Diseño de Máquinas

4. Procesos de Fabricación

Bloque 1: FUNDAMENTOS DEL DISEÑO MECÁNICO

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Fases en el proyecto

Planteamiento del problema

Control del dibujo

Selección de la fabricación

Elección del material

Dibujo del conjunto

Varias soluciones

Dimensiones principales

Plano de conjunto y

lista de piezas

Planos de taller

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Elección del materialSelección

del material

DIMENSIONES

Solicitaciones

Esfuerzos y deformaciones razonables

Teoría de Fallo

Demanda

SolicitacionesDecisión

Oferta

Materiales

ESTÁ DEFINIDADISEÑO

INFORMACIÓNMÚLTIPLE

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Elección del materialConsiderar las exigencias de:

• La función, el esfuerzo, la vida ...

• La configuración, fabricación

Atención a

• Costos fabricación

• Adquisición

En general, apoyarse en experiencia.

Utilizar materiales “usuales” en calidades “usuales”

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Propiedades de los metales• Tensión de rotura: tensión a la cual el cuerpo que

está sometido a ella, se rompe.

• Alargamiento de rotura: alargamiento unitario que tiene el cuerpo, en el momento de romperse (%)

• Límite de elasticidad: tensión máxima por debajo de la cual el cuerpo es elástico

nσ P lE

ε S λ

Tensión de fluencia, y

Límite de

proporcionalidad

Tensión de

rotura, R

Tensión

Deformación,

Ley de Hooke

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coeficiente de alargamienton

1 ε S λ

E σ P l

módulo de elasticidad transversaltτ P

Gγ S γ

coeficiente de deslizamiento t

1 γ S γβ

G τ P

coef. de contracción contrac. unitaria

alargamiento unitarioc

c

1 ε

μ εm coef. de Poisson

m 1β 2 (1 μ) α 2· α

m

EG

2·(1 μ)

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Ductilidad: grado de deformación que sufre el material

antes de que se produzca la rotura (opuesto: frágil)

Dúctil si porcentaje de elongación > 5%

Fácil detección de rotura inminente

f 0

0

L LPorcentaje de alargamiento 100%

L

Lo

Lf

En elementos sometidos a carga repetida o brusca, emplear materiales con % elongación > 12%

Otra medida de la ductilidad mediante la medida de la sección transversal

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YYC

σTensión de fluencia a cortadura σ

2

YR YTensión de rotura a cortadura σ 0.75·σ

Dureza: resistencia que ofrece un material a ser

penetrado por otro

Los métodos de ensayo más utilizados son:

• Rocwell, distintos procedimiento, los más conocidos son la dureza Rocwell C (HRC), o la Rocwell B (HRB)

• Brinell (BHN o HB)

• otros métodos, todos ellos están relacionados entre sí, y además están relacionados con la tensión de rotura del material

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Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado hasta un acabado superficial fino

Tensión de impacto

Resiliencia: energía necesaria para romper por choque un

cm2 de sección del material

resiliencia fragilidad resistencia al choque

Propiedades físicas.

•densidad

•Coeficiente de dilatación térmica ()

•Conductividad térmica

•Resistividad eléctrica0

cambio longitud εα

L ΔT ΔT

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Desgaste• Clases:

Deslizamiento Rodadura

Abrasivo Corrosión

• Factores:

Materiales emparejados Sustancia interpuesta

Carga Cinemática

Otros factores (temperatura, etc.. )

• Disminución:

materiales., movimiento, presión superficial, coeficiente de rozamiento, temperatura límite, etc...

Prever sus consecuencias

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Tratamientos

• Mecánicos

– En caliente:

Forjado

Laminado

– En frío:

Estirado

Trefilado

• Térmicos:

– Recocido

– Normalizado

– Temple

– revenido

• Químicos(endurecimiento superficial)

– Cementación

– Nitruración

– Cianuración

– Sulfinización

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13

14

15

Hierros y

Aceros

%C > 5% Hierros

< 1,7 forjables (Acero). Si el %C es muy bajo no

templan

> 1,7 no forjables, soldables ni templables, sólo

fundibles (fundiciones)

Estado líquido

Estado sólido

1528 ºC

0,89

1145 ºC

721ºC

906ºC

%C

4,25 1,7

%Fe

1 5 3

99 95 97

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Fundiciones utilizadas en industria: 2,4 < %C < 5

fabricación de engranajes de grandes dimensiones, ménsulas, partes de cadenas, bastidores de máquinas, etc.

Aceros contienen:

Impurezas: P, S (< 0,04%)

Elementos de aleación:

Cr: aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, con contenidos altos: aceros inoxidables

Ni: mayor plasticidad, facilita la forja y Ttos

Térmicos

Mo: (~ Ni) aumenta la resistencia en caliente

Va: (~ Mo) aumenta la resistencia al fuego

Fundiciones

1. Fundición Gris

Aleación de Hierro fundido con un contenido en C mayor al 1.7% (generalmente entre el 2 y 4 %)

Usado preferiblemente en piezas fundidas, siempre que sus propiedades mecánicas sean suficientes

Barato

Fácil colabilidad (bajo coeficiente de contracción poca tendencia a formar rechupes)

Fácilmente Mecanizable

Frágil, por lo tanto poco recomendable para solicitaciones por choque

Buenas propiedades de deslizamiento

Alta resistencia a la compresión

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Fundiciones1. Fundición Gris

Buen comportamiento a Fatiga, bastante cercano al de un acero

Difícil de soldar, suele necesitar un precalentamiento

Su nombre viene del color oscuro que tiene, debido al contenido de grafito en forma de hojuelas que le da ese tono

2. Fundición Blanca

Si todo el carbono de la fundición se encuentra en forma de cementita o perlita, sin presencia de grafito, la estructura es blanca y es lo que se conoce como fundición blanca.

Suele ser un producto muy frágil y duro de maquinar, pero también muy resistente al desgaste

18

Fundiciones2. Fundición Blanca

A menudo se emplea un enfriador en la producción de fundiciones grises para conseguir un superficie muy dura dentro de un área particular de la fundición, manteniendo la estructuras gris mas deseable dentro de la parte restante

19

Fundiciones

20

3. Fundición Maleable

Se obtiene por el recocido de un hierro fundido blanco.

Se consigue que el carbono aparezca otra vez en forma de grafito, pero en vez de hojuelas se presenta en forma de nódulos

Se mejoran la resistencia a la tracción (más de 350 Mpa), con una elongación de hasta el 18% (un 1% para las fundiciones grises)

Debido al tiempo tan grande para el recocido (hasta 6 días para fundiciones grandes), es bastante más costoso que una fundición gris

Fundiciones

21

4. Fundición Nodular

En esencia es similar a una fundición maleable, ya que también tiene grafito en estado de nódulos

Se consigue con un recocido posterior con la adición de Magnesio

En ellas tenemos las ventajas de la fundición maleable (mejora de las propiedades dúctiles) y la fundición Gris (Facilidad de fundición y maquinado)

5. Acero Moldeado

Se utiliza en piezas fundidas de alta resistencia, elasticidad y tenacidad

Se puede soldar, forjar y templar fácilmente

El mayor inconveniente es la dificultad para fundirlo (formación de rechupes, tensiones de colada y Grietas térmicas)

Fundiciones

22

5. Acero Moldeado

Es más caro de una fundición gris

Permite abaratar el coste de piezas complejas, respecto de piezas realizadas por otros medios, por ejemplo soldadura

Aceros EN 10020:2000

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Material en el que el hierro es el elemento predominante, elcontenido en carbono es, generalmente inferior al 2% ycontiene además otros elementos. Para un limitado número deaceros al cromo, el contenido en carbono puede ser superior al2%, pero este valor es el contenido límite habitual que separa el

acero de la fundición.

Clases de Aceros:

• Aceros no aleados

• Aceros inoxidables

• Otros Aceros Aleados

Aceros No Aleados

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Se considera como acero no aleado aquel en el que el contenido, de cualquiera de sus elementos, es inferior al que se recoge en la siguiente Tabla.

Aceros Inoxidables

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Los aceros inoxidables son los aceros que contienen un mínimo de un 10.5% de Cromo y un máximo de un 1.2% de Carbono

Aceros AleadosSe considera como Acero aleado aquel que no cumpliendo con la

definición de acero inoxidable, el contenido, de al menos uno de sus elementos es superior al visto en la tabla anterior

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Designación AISI de los aceros

27

Grupos de

Aleaciones

según

AISI

28

Uso de Algunos Aceros

29

Ace

ros

para

herr

amie

ntas

y C

arbur

os

30

Maquinabilidad de los aceros (UNE 36021)Gestol y Leroy (oct. 82)

• El mecanizado por arranque de viruta emplea a más de 106

personas en el mundo

• En Francia, el 80% del parque de máquinas herramienta está dedicado al mecanizado (4% P.I.B.)

• En EEUU se dedica a la fabricación el 10% PIB (Shaw)

Interesa desarrollar aceros de fácil maquinabilidad UNE 36021 para ello se añaden diversos elementos

• Mejor acabado superficial S

• Menos desgaste herramienta Se

• Menor consumo energía Te

• Mayor cantidad viruta arrancada Pb

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Maquinabilidad Aceros

Gran o fácil maquinabilidad, como cualidad prioritaria

De maquinabilidad mejorada (A.M.M.)

A. no aleados especiales para temple y revenido

A. para temple y revenido

A. para herramientas e inoxidables

A. para cementar

A los A.M.M. se les añaden elementos químicos para mejorar su comportamiento frente al arranque de viruta.

Este tipo de aceros se recogen en la norma UNE 36021

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Aceros al carbono

C 15

F - 110

C = 0,15 %

Mn = 0,55%

Si = 0,27%

Acero común para piezas poco solicitadas. Soldable, fácil deformación en frío y admite carburación superficial

C 45

F -1140

C = 0,45 %

Mn = 0,65%

Si = 0,27 %

Apto piezas resistencia media. Admite temple y revenido. Temple local por alta frecuencia

Aceros aleados de resistencia

35 Cr Mo 4

F - 1250

C=0,35%;Mn= 0,75

Si = 0,27%; Cr=1%

Mo =0,20%

Temple y revenido piezas de media responsabilidad . Precio moderado. Para masas medianas o pequeñas

35 Ni Cr Mo 16

F - 126

C=0,35%;Mn= 0,45

Si = 0,27%; Ni=4%

Cr=0,25%; Mo =0,3

Solo piezas alta responsabilidad, fuerte solicitación mecánica, resistencia a fatiga y masa grande. Alto precio.

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Aceros para cementar

C 10

F – 1510

C=0,10%

Mn= 0,35%

Si = 0,25%

Piezas poco importantes, resistente al desgaste por cianuración o cementación en capas menores de 0,5 mm. Núcleo poco resistente. Barato por ser acero al carbono

14 Cr Mo 4

F - 155

C=0,12 a 0,15%

Mn= 0,30 a 0,60

Si = 0,10 a 0,35% Cr= 1 a 1,30%

Mo =0,15 a 0,25

Amplio uso para cementar; piezas de media responsabilidad, no muy masivas. Buen compromiso entre resistencia al desgaste y resistencia mecánica del núcleo

14 Ni Cr Mo 12

F - 1560

C=0,14%

Ni=3 %

Cr=1 %

Mo =0,25%

Piezas de la más alta responsabilidad y resistencia elevada en el núcleo. Optimas características frente a fatiga. Precio Elevado. Solo cuando sea imprescindible.

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Aceros para TEMPLE por INDUCCIÓN

C 45

F – 1140

C = 0,45 %

Mn = 0,65%

Si = 0,27 %

Por su precio es apto para la resistencia local al desgaste, en piezas con núcleo no muy resistente. Baja templabilidad, no usar para temple profundo

45 Mn 5

SAE 1548

C=0,48%

Mn= 1,1 a 1,4%

Si = 0,25%

Piezas que exijan capas profundas en media y baja frecuencia, sin necesidad resistencia en el núcleo. Admite temple y revenido previos a la inducción en piezas poco masivas

40 Cr Mo 4

F - 1252

C=0, 40%, Mn=0,75% Si=0,27%

Cr=1 %

Mo =0,20%

Acero parecido al 35 Cr Mo 4, mayor dureza superficial por el %C. Ideal para temple y revenido de núcleo y temple por inducción superficial. Susceptible al agrietamiento, evitar entallas

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Aceros de alta MAQUINABILIDAD

13 Mn S 6

F– 210– A

C = 0,13 %

Mn = 1,20%

S = 0,20 %

Decolletaje, o en piezas de mucha mecanización. Piezas de baja solicitación en general. Admite cianuración y cementación a poca capa, solo para resist. desgaste

35 Mn S 8

F– 210– G

C=0,35 %

Mn= 1,5%

S = 0,15%

Piezas de media resistencia y difícil mecanización. Admite temple y revenido en piezas no muy másicas

Aceros de alta ELASTICIDAD

C 70

~F - 141

C = 0,7 %

Mn = 0,45%

S = 0,07%

Muebles de poco espesor, ya sean flejes o hilos, admite endurecimiento por laminación o por temple y revenido

55 Si Mn 7

~F - 144

Resortes masivos. Debe templarse y revenirse. Muy sensible a la descarburación. Uso común en ballestas barras de torsión, pinzas

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Metales No Férricos

1. Aluminio y Aleaciones del Aluminio

(DIN 1725)

2. Magnesio y Aleaciones de Mg (DIN 1720)

3. Cobre y aleaciones de Cobre

3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705)

3.2. Bronce al Aluminio (DIN 1714)

3.3. Bronce al Plomo (DIN 1716)

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Metales No Férricos1. ALUMINIO Y ALEACIONES DEL ALUMINIO

(DIN 1725)

– Bajo peso específico ( = 2,7 ÷2,85)

– Relativamente elevada Resistencia

Alta conductividad eléctrica y térmica

– En elementos constructivos preferente aleaciones forjadas y fundidas

– Aleaciones de Al por fusión con Mg (5÷7 %) poseen buena resistencia al calor culatas de cilindros

Interesante elementos en movimiento rápido (émbolos, bielas, etc )

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Metales No Férricos2. MAGNESIO Y ALEACIONES DE MG (DIN 1720)

– Bajo peso específico ( = 1,85)

– Fácil arranque de viruta

Pequeñas bombas engranajes

Fundición gris (1)

Aleación Mg

doble coste en bruto que fundición gris

menor coste final por ahorro en mecanizado

– Bajo Módulo Elástico (E=4.400 kg/mm2)

insensible a golpes y choques

en cajas de transmisión actúa como amortiguador de ruido

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3. COBRE Y ALEACIONES DE COBRE

– Bronces (~ 80 % Cu, ~10 % Sn, ...)

3.1. Bronce al Estaño (DIN 1705)

Giefen – fundición // Sn – Estaño // Bronze – Bronce

G – SnBz 10 DIN 1705 ó 2. 1050.01 DIN 1705

– Materiales

bronces al Sn: G Sn Bz 14 // G Sn Bz 12 ..

bronces al Sn y varios mat. fundidos G Z Rg 10 ...

– Características: tenacidad, resistencia al desgaste, al agua de mar ....

– Adecuado: casquillos, cojinetes, discos de fricción

Metales No Férricos

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Metales No Férricos

3.2. BRONCE AL ALUMINIO (DIN 1714)

– Designación

G Fe Al Bz F50 DIN 1714 ó 2.0940. 01 DIN 1714

– Materiales

Bronce al Al de fundición

Bronce al Al y materiales diversos de fundición

• Br al Al y Fe fundido

• Br al Al y Ni de fundición (tornillos sin fin; ruedas de hélices; hélices de buques; cojinetes; etc.)

• Br al Al y Mn de fundición

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Metales No Férricos3.3. BRONCE AL PLOMO (DIN 1716)

– Designación

G Sn Pb Bz 10 DIN 1716 ó 2.1176. 01 DIN 1716

– Materiales

Bronce al Pb de fundición

Bronce al Pb y Sn de fundición

Ejemplo: G Sn Pb Bz 10; B = 23 kp / mm2

buenas propiedades deslizamiento y desgaste

resistencia a la corrosión

Adecuado para cojinetes de fricción con altas presiones de superficie

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MATERIALES TERMOPLÁSTICOS

• Ejemplos de uso:

– cojinetes, casquillos, engranajes, poleas, guías de deslizamiento, carcasas en neumática, apoyos, otras piezas

– cualquier elemento que requiera bajo coeficiente de fricción y gran resistencia al desgaste

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Materiales Termoplásticos

1. Lubricación

– Muy poco o en seco

– Es importante NO lubricar en industria textil, papelera de alimentación

2. Resistencia al desgaste

– Propiedades mejores que aceros y bronces si trabaja sin lubricar

– Trabaja en condiciones abrasivas

3. Corrosión y resistencia química

– Resisten amplia gama productos químicos, que actúan en algunos casos de lubricantes

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4. Resiliencia

– Reducen transmisión de vibraciones, y amortiguan los ruidos (gran elasticidad)

– Buena resistencia al impacto, evitando deformaciones permanentes

5. Bajo peso

– A igual volumen 7 veces menos que el bronce

– Mejora almacenamiento y manejo

6. Maquinabilidad

– Más fáciles y limpios de mecanizar que los metales

– Modificar el ángulo de corte de las herramientas

7. Coste final

– Bajo coste inicial, alta eficiencia, bajo manteniemiento

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• Recurrir a:– Fundición gris (estatores, placas, carcasas ... )

– Hierro fundido especial, para grandes esfuerzos

– Chapas de acero para soldar (carcasas, reductores)

– Acero templado para elementos sometidos a elevada presión con rodamiento (rodamientos, levas, ..)

– Material aglomerado, fundición gris blanca, bronce, aleaciones de Zn, Ak, etc.. para superficies sometidas a fricción

– Aleaciones (piezas pequeñas, grans serie, tornos aut.)

– Materiales especiales (desgaste intenso, acciones químicas, eléctricas, etc..)

– Otros materiales: plásticos, gomas, según elemento

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• Si la elección no está clara, analizar:

1. Exigencias impuestas al elemento constructivo

2. Condiciones de fabricación

3. Propiedades del material (ensayos)