Procesos Industriales de Manufactura, Conformación y Soldadura en la Ingeniería

Conceptos Fundamentales de Ingeniería y Manufactura

Ingeniería: Conjunto de conocimientos y técnicas que permiten aplicar el saber científico a la utilización de la materia y las fuentes de energía.
Ingeniero: (De ingenio, máquina o artificio), persona que profesa o ejerce la ingeniería, el que discurre con ingenio las trazas y modos de conseguir o ejecutar una cosa.
Ingenio: Facultad del hombre para discurrir o inventar con rapidez y facilidad.
Proceso: Es el conjunto de actividades relacionadas y ordenadas con las que se consigue un objetivo determinado. En la ingeniería el concepto de proceso adquiere gran importancia debido a que la práctica de esta carrera requiere planar, dirigir, integrar, organizar y controlar. Debemos considerar los procesos de producción como una herramienta para el diseño y la definición de planes, programas y proyectos. El diseño, integración, organización y control de sistemas, la optimización del trabajo, la evaluación de resultados, el establecimiento de normas de calidad, el control y aumento de la eficiencia, etc.

Manufactura:

1. Obra hecha a mano o con el auxilio de máquina y lugar donde se fabrica.
2. Conjunto de actividades organizadas y programadas para la transformación de materiales, objetos o servicios en artículos o servicios útiles para la sociedad.

El ingeniero debe observar a la manufactura como un mecanismo para la transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad; también es considerada como la estructuración y organización de acciones que permiten a un sistema lograr una tarea determinada.

Clasificación de los Procesos de Manufactura

De manera general, los procesos de manufactura se clasifican en 3 grandes grupos:

1. Procesos que cambian la forma del material: Dentro de esta categoría está la fundición o moldeo, los conformados por deformación en frío y en caliente, y la metalurgia de polvos.
2. Procesos que provocan desprendimiento del material: Maquinaria para la conformación por arranque de viruta y maquinaria no convencional (por ejemplo, mediante explosivos).
3. Procesos para acabar superficies: Por desprendimiento, de partículas por pulido y por recubrimiento.

Para que estos procesos sean de utilidad se deben considerar los siguientes criterios:

Criterios de Producción

Criterios con fines de beneficio económico

• Costos: Deben ser aceptables y competitivos.
• Rentabilidad: Debe dar ganancias superiores a las que proporciona el banco.
• Calidad: Solo la necesaria, sin inversiones innecesarias.

Criterios con fines de efectividad

• Proyecto: Deben ser diseños funcionales que permitan la manufactura calculada y controlada.
• Materiales: Selección de los materiales adecuados y económicamente aceptables.
• Procesos de manufactura: Son los sistemas para la transformación de los materiales con la calidad adecuada, considerando las necesidades del cliente de manera eficiente y económica.
• Factor humano: Abarca la motivación, trato, facilidad, capacitación y seguridad.
• Proceso administrativo: Comprende la planeación, la integración, la organización, la dirección y el control.

Efectividad y Eficiencia: Se considera efectividad a la estimación del cumplimiento de objetivos, fines o funciones de un sistema o proceso sin que exista evaluación o estándares predeterminados. Se considerará eficiencia a la relación numérica que existe entre la cantidad lograda por un sistema y la máxima cantidad que dicho sistema puede lograr.

Fabricación de Productos y Sistemas Productivos

Fabricación de productos: El objeto de la fabricación o producción es la obtención de productos o bienes para el consumo. Este proceso está formado por una sucesión de pasos relacionados entre sí por un sistema organizado y coherente que garantice la consecución del objetivo fijado de forma eficiente, económica y segura. Nos referimos a procesos industriales destinados tanto a la obtención de productos semielaborados (materiales que sirven de materia prima para otros procesos, como los laminados o materiales para hacer recubrimientos superficiales) como a piezas terminadas y a los conjuntos formados por estas.

Sistemas productivos: La fabricación se realiza en el entorno de sistemas productivos de diferentes características, que están equipados con un conjunto de elementos interactivos destinados a la obtención del objetivo prefijado. Estos elementos productivos pueden estar equipados en una única planta o un subconjunto de esta, o distribuidos en varias plantas o departamentos.

Organización de los Sistemas Productivos

Todo sistema productivo está formado por una entrada de materias primas (incluyendo energía) y una salida de productos. Entre estos 2 extremos existen flujos de materiales que van siendo sometidos por una serie de procesos que los van transformando mediante los elementos que forman el sistema, como maquinaria, transporte, almacenamiento, etc., hasta adquirir las propiedades especificadas en el diseño.

Flujo de Proceso

Es habitual clasificar los procesos de fabricación mediante el tipo de flujo que siguen los materiales a lo largo de todo el proceso:

• Sistemas productivos continuos: También llamados de proceso, son aquellos en los que la ruta que siguen los materiales a lo largo del proceso es invariable. Se usan pocas materias primas y los productos obtenidos son pocos o únicos, contabilizándose en peso (toneladas) o en volumen (metros cúbicos). Son instalaciones de alto coste, rígidas (no admiten variaciones en el proceso) y muy automatizadas. Son características de sistemas de producción de productos semielaborados o commodities; por ejemplo: la siderurgia, el refino del petróleo, fabricación de cemento, papel, elementos no elaborados como harina o azúcar, etc.
• Sistemas productivos discretos: Se conocen también como talleres y están orientados a la fabricación de una gran variedad de distintos productos, ya que se caracterizan por su flexibilidad tanto de maquinaria como de organización. Se organizan por departamentos como el mecanizado, tratamiento, montaje, etc., y son procesos difícilmente automatizables. Los productos se contabilizan en piezas o unidades, siendo su número normalmente bajo. La gran variedad de productos y de materia prima usada determina uno de los mayores problemas de estos sistemas: la coordinación logística.
• Sistemas combinados: Aunque en la práctica pueden existir sistemas de taller o de proceso continuo puros, la mayoría de los sistemas productivos se sitúan entre ambos. Por un lado, en el extremo más cercano a los continuos están los sistemas de montaje, que suelen utilizarse en la fabricación de automóviles y electrodomésticos; están basados en cadenas de montaje más o menos automatizadas y son sistemas esencialmente rígidos, aunque el actual uso de la informática y la robótica ha permitido ampliar su flexibilidad de un modo notable. Por otra parte, en el extremo más cercano a los procesos de taller se encuentran los sistemas de fabricación por lotes (productos que se fabrican en paquetes de un número limitado de unidades, que pueden ir desde algunas decenas, por ejemplo los sectores aeroespacial o ferroviario, hasta algunos cientos, por ejemplo equipos de electrónica y maquinaria industrial).

La fabricación flexible: Es la tendencia actual en la fabricación de bienes de consumo que sustituye progresivamente los conceptos previos de planificación de la producción —entendiéndose como tal la fabricación basada en la estimación de cifras de venta a largo plazo y de producción en serie en la acepción que se refiere a la fabricación continua de grandes lotes—. Se trata de abastecer la demanda mediante la fabricación de lotes lo más pequeños posibles basados en las ventas realizadas o previsibles en un corto plazo (mensual, semanal, diario, etc.). Esto permite ahorros financieros y de capital inmovilizado en materia prima, personal, equipamiento y almacenaje. En estos procesos, los equipos controlados por ordenadores CNC (Control Numérico Computerizado) y la organización de la fabricación en células flexibles han hecho posible conjugar flexibilidad con una buena productividad.

Fases, Subfases y Operaciones

La organización de los procesos de fabricación se basa en la subdivisión de estos en una secuencia lógica y adecuada a los fines perseguidos. Es habitual usar la siguiente secuencia:

• Fase: Conjunto de transformaciones tecnológicamente afines que se llevan a cabo sobre el producto en la misma máquina, instalación, equipo o puesto de trabajo (a veces en un conjunto de ellos). Por ejemplo, una fase de proceso podría ser el mecanizado o, si se considera la misma máquina, la fase de torneado, roscado, etc.
• Subfase: A veces se distinguen dentro de una misma fase distintas etapas. Para el caso de una misma máquina, por ejemplo en la fase de torno, podrían ser subfases diferentes dos distintos posicionados de la pieza o diferentes tipos de operaciones.
• Operación: Se denomina así a cada una de las tareas elementales que se pueden llevar a cabo en una máquina o puesto de trabajo que realiza un proceso determinado. Las operaciones pueden ser:
  • Productivas: Cuando se producen efectivamente transformaciones en los materiales (por ejemplo, una embutición o un cilindrado).
  • No productivas: Cuando se trata de operaciones necesarias para el proceso pero que no producen modificaciones en los materiales (por ejemplo, movimientos o cambios de herramientas, operaciones de almacenamiento, preparación de las máquinas, etc.).

Relación entre el Diseño y la Fabricación

El tiempo que se tarda en resolver el diseño de un producto incide directamente en los costes y, en consecuencia, en la posición de la empresa frente al mercado. En el diseño de un producto deben tenerse en cuenta tanto las necesidades funcionales de calidad, duración o seguridad como las económicas, de mercado y los métodos y procesos de fabricación que serán necesarios, ya que están todos en íntima relación y deben considerarse en conjunto. Por ello, en la actualidad se pone un fuerte acento en minimizar tiempos y costes de diseño optimizando los recursos disponibles de la manera más eficiente, disminuyendo así el tiempo de diseño y los costes. Este diseño es conocido como ingeniería simultánea o concurrente.

Costes de Fabricación

El precio de coste de un producto es el conjunto de gastos en el que se incurrirá hasta tenerlo listo para su venta. Los diversos aspectos que lo integran constituyen la estructura de costes del producto, cada una definida por los siguientes conceptos:

1. Diseño del producto: Engloba requerimientos funcionales, demanda de mercado, ciclo de vida y previsión de futuras modificaciones.
2. Selección de materiales: Engloba las propiedades mecánicas y físicas, propiedades geométricas y de variación, fiabilidad del suministro y costes de los materiales.
3. Definición del proceso: Posibilidades del proceso, influencia de propiedades, volumen de producción, nivel de automatización, tipo de montaje y coste final.

Tiempo de Fabricación

La fabricación involucra una serie de etapas que consumen un determinado tiempo. El tiempo total para la fabricación de una unidad de producto se denomina tiempo unitario de fabricación. Para que el precio de un producto sea competitivo es prioritario minimizar en lo posible este valor; podemos distinguir los siguientes componentes:

• Tiempos productivos: También llamados de transformación, son aquellos durante los cuales los materiales están efectivamente sujetos a procesos de transformación.
• Tiempos improductivos: Son tiempos en que se incurre inevitablemente en los procesos de fabricación pero en ellos no se producen transformaciones de los materiales. Dada su diferente naturaleza, consideramos por un lado el tiempo consumido en la preparación de las máquinas y el tiempo de maniobra (este incluye a su vez los tiempos invertidos en la colocación y cambio de piezas y herramientas). La suma de los tiempos de transformación y de maniobra se conoce como tiempo de máquina; representa el tiempo de residencia de la pieza en la máquina y, en las operaciones de mecanizado, recibe el nombre de tiempo de mecanizado.

Precisión y Control en la Industria

El gran desarrollo industrial en los últimos dos siglos ha sido posible gracias a la gran cantidad de procesos fabricados con una calidad y un precio aceptable. Se ha abandonado el proceso artesanal, en el que una persona o muy pocas realizaban un proceso complejo en todos sus aspectos, y se ha dado paso a un proceso de fabricación en serie donde un operario fabrica multitud de piezas. Esta forma de producción, impuesta por el factor económico, ha creado la necesidad de intercambio para que el montaje de un mecanismo complejo pueda realizarse a partir de cualquier conjunto de sus piezas componentes, y pueda sustituirse una o varias de ellas sin fallos en el conjunto.

La consecución de estos objetivos obliga a aumentar el control de calidad en la fabricación, pese al elevado coste económico que supone. Un aspecto de este control es la normalización para homogeneizar criterios de diseño, el empleo de tolerancias para conseguir los correspondientes ajustes, y la verificación sistemática de las máquinas, piezas y herramientas mediante el empleo de calibres de control durante el proceso de fabricación. Por último, se realiza la comprobación final de los mecanismos y los instrumentos de medida para asegurar que las piezas obtenidas por distintos aparatos son correctas y, por tanto, intercambiables.

Además de conseguir la intercambiabilidad, el desarrollo técnico ha conducido a conseguir precisiones cada vez más estrechas. Para estos factores resulta primordial el control de las piezas a través de técnicas de medición, lo cual ha llegado al orden de la milésima de milímetro y trae consigo la aplicación de técnicas muy específicas.

En la palabra control se engloba un conjunto amplísimo de operaciones a partir cuyos resultados se ha de dictaminar sobre la aceptación o rechazo del producto de acuerdo con la calidad exigida. Un grupo de operaciones de importancia primordial en la fabricación es el control metrotécnico, de cuya realización se encarga la metrotecnia, que es la metrología aplicada a la técnica. Así como la metrología es esencialmente la ciencia de la medida en su más amplio sentido, la metrotecnia se ocupa con preferencia de los problemas dimensionales, orientando su tarea en dos vertientes:

1. Medición directa: Mediante instrumentos adecuados se obtiene el valor numérico de las cotas.
2. Medición indirecta: Mediante comparadores o calibres se establece comparación con prototipos o sistemas que los representen para comprobar si sus dimensiones están o no en el campo de tolerancias establecido.

Procesos de Fundición y Moldeo

El moldeo, llamado también fundición o colada, es un proceso de conformación basado en la fusión de los metales. Consiste en una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un hueco o molde de arena, metal o material refractario que reproduce la forma de la pieza que se desea fabricar, y en la cual se vierte el metal fundido dejándolo enfriar hasta que solidifica totalmente.

Como proceso tecnológico, su principal ventaja consiste en que con su ayuda se pueden fabricar con facilidad y economía piezas muy complicadas (como bloques de cilindros, culatas de motores de explosión, bancadas de herramientas, etc.) que son muy difíciles o imposibles de obtener por otros métodos. Permite además el empleo de metales y aleaciones que no son aptos para el conformado por deformación o soldadura, como por ejemplo la fundición gris.

Operaciones Fundamentales de la Conformación

Para realizar este conformado son necesarias 3 operaciones elementales:

1. Operaciones de fusión: La fusión de metales y aleaciones se realiza en distintos tipos de hornos, cada uno de los cuales es adecuado para cada metal o aleación, a temperaturas comprendidas entre ciertos límites: mayores que una temperatura mínima para que el metal fundido tenga fluidez, y menores que una temperatura máxima para evitar el quemado del metal y la pérdida del mismo por vaporización u oxidación.
2. Operaciones de moldeo y desmoldeo: Comprende en primer lugar la preparación del molde, para lo cual hay que hacer una reproducción de la pieza que se desea fabricar, llamada modelo. Después se coloca este modelo en una caja de moldeo, se llena de arena y se apisona fuertemente; se retira el modelo posteriormente y queda el hueco de la pieza a reproducir. En este molde se vierte el metal fundido en una operación que se llama colada, y una vez enfriado el metal se abre o rompe el molde y se saca la pieza (operación llamada desmoldeo).
3. Operaciones de acabado: Se procede a limpiar de arena a las piezas y a romper los conductos por donde se ha vertido el metal y que han quedado adheridos a la pieza, dejándola totalmente terminada o lista para el mecanizado posterior.

Los metales y aleaciones aptas para ser conformados por fundición son hierro, cobre, aluminio, magnesio, zinc y sus aleaciones, además de aleaciones antifricción. Aunque teóricamente se puede moldear cualquier metal, normalmente solo se moldean los más adecuados para ser conformados por este proceso, existiendo incluso aleaciones concebidas especialmente para ello.

Moldeo en Arena

Desde tiempos prehistóricos se han usado moldes de arena o mineral. Las operaciones básicas no han cambiado; simplemente se ha aplicado maquinaria para hacer las tareas difíciles. Aunque se automatice el equipo, los conceptos básicos siguen siendo los mismos. Además de ser el método más antiguo, es aún el más usado.

En este proceso se llama molde a la cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir; se obtiene generalmente comprimiendo arena de moldeo sobre el modelo, el cual se retira después. Por tanto, si el molde obtenido se llena con metal fundido, obtenemos una pieza maciza; si ha de ser hueca, para obtener las cavidades se necesita colocar otras piezas especiales llamadas machos, noyos o corazones (que no son más que bloques macizos de arena u otro material cuyo exterior representa la forma interior que queremos reproducir).

• Placas modelo: Por lo general constan de un modelo metálico, de madera, yeso o plástico montado sobre una placa metálica. Los metálicos tienen la ventaja de ser más duraderos, de mayor exactitud y suministran superficies más lisas; son el elemento fundamental del moldeo mecánico.
• Cajas de moldear: Son marcos de madera, aluminio, fundición o acero de formas y dimensiones muy variadas, destinadas a contener la arena del moldeo. Constan de una parte superior y otra inferior (o de fondo), provistas de espigas o clavijas y de orejas en correspondencia para fijar su posición durante el moldeo. Si hay más de dos, a las otras se las llama intermedias o aros. Las paredes suelen llevar, sobre todo si son grandes, una serie de agujeros o ranuras para facilitar la salida de gases del molde y, además, las aligeran de peso.
• Arenas de moldeo: Las arenas silicoaluminosas, también llamadas tierras de moldeo, son el material que más se emplea para la fabricación de moldes y machos. Están compuestas químicamente por cuarzo, arcilla, cal y feldespatos. Todas las arenas naturales contienen siempre un porcentaje de agua variable, que suele ser generalmente inferior al 10% (lo ideal es que esté entre el 5% y el 7%). Si el porcentaje es menor, la resistencia mecánica de la arena disminuye con peligro de arrastre de porciones del molde que formen inclusiones en la pieza fundida; si el porcentaje es más alto, el volumen de vapor producido dentro del molde aumentaría el riesgo de poros o sopladuras.

Métodos de Moldeo

• Moldeo a mano: Como su nombre indica, todas las operaciones están hechas a mano. Requiere personal muy cualificado y solo es adecuado para obtener un número muy reducido de piezas o cuando estas son muy complicadas y no se pueden usar en el moldeo mecánico.
• Moldeo mecánico: En los talleres de fundición de gran producción y producción en serie, para la elaboración de moldes y machos se sustituyen los métodos manuales por el moldeo mecánico. Sus ventajas son:
  • No necesita personal altamente especializado.
  • Se puede usar de forma más racional al personal especializado, librándole de operaciones auxiliares para que adquiera rapidez y habilidad en la elaboración de moldes a máquina.
  • Es posible obtener piezas con espesores muy pequeños.
  • Los moldes adquieren una resistencia más alta, quedando las piezas mejor terminadas.
  • Se facilita la operación de desmoldeo sin deteriorar el molde, con el consiguiente ahorro de gastos de reparación.
  • Se disminuye el número de piezas defectuosas y se mejora la calidad.
• Moldeo en moldes metálicos (coquillas): Sustituyen ventajosamente a los de arena cuando se trata de fabricar grandes series de una misma pieza. Se componen de dos partes principales: el cuerpo del molde y los machos para reproducir los huecos o entrantes (que pueden ser metálicos o de arena). El material más usado para fabricar el cuerpo del molde es la fundición gris de grano fino. La duración de las coquillas depende de la clase de material empleado, del material que se molde y del cuidado en su fabricación; un molde bien usado puede resistir la fundición de 1,000 a 40,000 piezas sin retoques de importancia. Sus principales ventajas son una mayor precisión en las cotas de las piezas, contracciones lineales menores, menor espacio y manejo de materiales, resultando más económico que la arena para series de más de 1,000 piezas. Su principal inconveniente es el elevado coste de puesta a punto.
• Moldeo en coquilla por presión: Difiere del moldeo en coquilla por gravedad en que el metal en estado líquido o pastoso se introduce en el hueco del molde bajo presión. Esto favorece el rápido llenado del molde y la reproducción fiel de sus más finos detalles, asegurando la eliminación de la porosidad en las secciones macizas. La presión debe ser tanto más elevada cuanto mayor sea la tendencia de la aleación a presentar sopladuras. Las piezas, después de eliminar el bebedero, quedan totalmente terminadas y no necesitan mecanizado posterior; la estructura del metal es de grano fino y sus características mecánicas muy elevadas.
• Moldeo a la cera perdida: Se realiza de la manera siguiente: se hace un modelo en cera del objeto que se ha de moldear, se recubre este modelo con una capa gruesa de yeso y arena de sílice mezclados. Después de secarse al aire, el modelo de cera con su envoltura se cuece en un horno; la cera entonces se funde y queda el recubrimiento formando el verdadero molde, que reproduce con gran exactitud el modelo original. Se emplea mucho este proceso para la fabricación de piezas pequeñas en serie que se obtienen con un excelente acabado superficial y gran precisión, lo que hace innecesario su mecanizado posterior. Se pueden fabricar fresas y brocas de acero de corte rápido, álabes para turbinas de gas y motores de reacción con aceros inoxidables, aleaciones refractarias, instrumental quirúrgico con aceros martensíticos, pequeños imanes de forma complicada, piezas de maquinaria textil, armas automáticas, motores de combustión, herramientas calibradas, piezas de electrodomésticos, etc. Las limitaciones de este proceso se deben a un elevado coste y a la limitación del tamaño de las piezas (la mayoría no sobrepasa los 30g, aunque se han llegado a obtener piezas de hasta 20 kg).

Colabilidad: Aun cuando los conductos del sistema de distribución estén perfectamente diseñados, existe la posibilidad de que el metal comience a solidificar antes de haber llenado por completo el molde, sobre todo en sus partes más delgadas. Para que esto no suceda, la aleación debe tener una colabilidad adecuada, entendiéndose por tal su mayor o menor aptitud para llenar por completo la cavidad del molde. Será función de la cantidad de calor que pueda perder el metal antes de solidificar y, en consecuencia, de la temperatura, dependiendo también de las condiciones de enfriamiento del molde y de la velocidad de la colada.

Inspección de las Piezas Fundidas

Los métodos más corrientes son:

• Examen visual: Se debe realizar inmediatamente después del desmoldeo para evitar gastos de limpieza en piezas con defectos visibles.
• Control de dimensiones: Con calibres especiales si la serie es grande, o en una mesa de trazado si es pequeña.
• Prueba de sonoridad: Se efectúa golpeando con un mazo de madera la pieza colgada de un gancho; por el sonido que emite se sabe si la pieza está rota o no.
• Ensayos no destructivos: Se utilizan métodos de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, rayos X y ultrasonidos, examen metalográfico para determinar el tamaño de grano y las micropropiedades, ensayos mecánicos (dureza, tracción, flexión, fatiga, etc.), análisis químico para ver si la composición se ha mantenido dentro de los límites deseados, y control de acabado superficial valorando el mismo con un rugosímetro.

Pulvimetalurgia

Se conoce con este nombre al proceso empleado en la fabricación de piezas a partir de polvos metálicos, los cuales se prensan dentro de moldes, se extraen de dichos moldes y se calientan a temperaturas inferiores al punto de fusión del metal. Es un proceso utilizado principalmente para metales difíciles de maquinar y consta de las etapas siguientes:

1. Obtención del polvo.
2. Tratamiento del polvo.
3. Moldeado de la masa de polvo mediante prensado.
4. Sinterizado de la pieza obtenida por compactación.

Hoy día este método tiene un gran campo de aplicación, como por ejemplo:

• Cojinetes autolubricantes con un 30% de poros en bronce sinterizado impregnados de aceite o de teflón.
• Seudoaleaciones de metales con temperaturas de fusión dispares, como pueden ser Cu-W y Ag-molibdeno, empleadas en los contactos eléctricos en la zona donde se produce la chispa de ruptura (donde necesitamos la buena conductividad del Cu y Ag y la alta resistencia al desgaste del wolframio o molibdeno).
• Piezas pesadas o seudoaleaciones con 85%-95% de wolframio, 3%-10% de Ni y 2%-5% de Cu. Estos materiales se caracterizan por tener altísima densidad y se utilizan para la fabricación de giroscopios, pantallas para rayos X y rayos gamma, apantallamiento de pilas nucleares, etc.
• Carburos de wolframio, titanio, etc., y seudoaleaciones de wolframio-acero. Estos compuestos se caracterizan por su elevada dureza, gran resistencia a la abrasión y tenacidad; debido a su alto punto de fusión solo se pueden fabricar por este procedimiento (fabricación de cermets sin aglomerantes obtenidos por sinterización de un metales de elevado punto de fusión y óxidos muy refractarios usados en turborreactores).

Ventajas y Limitaciones de la Pulvimetalurgia

Ventajas:

• Reduce al mínimo las pérdidas de materia prima, ya que solo se usa la cantidad de polvo necesario para obtener el producto final.
• Facilita el control exacto de los límites de la composición.
• Se pueden eliminar o reducir al mínimo las operaciones de mecanizado.
• Todas las operaciones son susceptibles de automatización.
• Se logran buenos acabados superficiales sin las señales propias del moldeo.
• Es la única técnica que permite lograr una porosidad controlada y una oxidación interna muy repartida apta para el endurcimiento.

Limitaciones:

• Las piezas deben tener una forma que permita extraerlas fácilmente de la matriz, lo cual limita bastante las posibilidades de diseño.
• El tamaño de las piezas está limitado por la fuerza de las prensas, que no suele sobrepasar las 500 toneladas.
• Las piezas obtenidas no pueden tener las características mecánicas que tienen las obtenidas por métodos convencionales.
• El factor económico es muy importante debido al elevado coste de las matrices de acero aleado o de carburo de wolframio.

Operaciones Clave en Pulvimetalurgia

• La compactación: Tiene por objeto conformar el polvo metálico en la forma y dimensiones deseadas, dándole la resistencia y consistencia necesarias para su manipulación cuidadosa hasta el sinterizado. La cocción del producto comprimido se puede considerar como una verdadera soldadura en frío de los puntos de los polvos en contacto. La compresión se realiza introduciendo el polvo en una matriz fabricada generalmente de carburo de wolframio y se somete a una presión que puede variar entre 800 y 20,000 kg/cm², siendo lo más usual 4,000 kg/cm². Debido a que la pulvimetalurgia debe su rentabilidad a la producción de grandes series, necesita matrices fáciles de fabricar y de gran resistencia al desgaste, por lo que se suelen hacer por electroerosión con aceros indeformables y carburos aglomerados.
• Sinterización o fritado: Es la operación pulvimetalúrgica principal y tiene por objeto dar cohesión y resistencia al producto comprimido. Consiste en calentar la masa de polvo a una temperatura inferior a la de fusión (del orden de 2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión) durante el tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante adquiera la suficiente resistencia mecánica, todo ello realizado en atmósfera protectora en hornos de inducción para evitar la oxidación, ya que el compactado puede pasar parcial pero nunca totalmente al estado líquido.

Forja y Conformación Plástica

Se entiende por forja la deformación por compresión de un material colocado entre matrices.

Ciclo Térmico de la Forja

Consta de 3 fases:

1. Calentamiento: El metal debe encontrarse a la máxima temperatura posible sin alcanzar el punto de fusión. Durante la deformación se comunica energía mecánica y parte de esta se pierde en calor. La forja en caliente requiere el mínimo energía en el forjado y produce la máxima deformación, pero al forjar cuesta controlar las dimensiones del producto ya que el metal no se contrae uniformemente cuando se enfría; de ahí que la forja se realice a menudo a temperatura ambiente, aunque la deformabilidad del metal sea algo menor que en caliente.
2. Deformación: Es debida a esfuerzos de compresión (carga de forja). La deformabilidad depende también del tamaño de los granos (un grano grande es difícil de forjar). Bajo condiciones de lubricación perfectas, la presión requerida es uniforme e igual al límite de fluencia del material.
3. Enfriamiento: Se produce constantemente desde que la pieza sale del horno. Este enfriamiento no puede ser brusco para evitar grietas. Las piezas grandes se agrietan con más facilidad a causa de las tensiones que se originan por la desigualdad de temperatura entre el núcleo y la periferia. El enfriamiento puede hacerse al aire, pero si el material es delicado hay que dejar la pieza enfriar en el horno.

Técnicas de Forja

• Forja mecánica: Permite el trabajo de grandes piezas o grandes series aplicando esfuerzos violentos y bruscos con los martinetes, o continuos con las prensas. La utilización de prensa o martillo depende principalmente del peso de la pieza a forjar y de su sección (martillo hasta 5,000 kg, prensas hasta 100 toneladas).
• Estampación, recalcado y extrusión: Todas son forjas en caliente. Tienen en común que se produce fluencia de partículas de material sin perder su cohesión, obteniendo una pieza sólida con una forma determinada.
  • Estampación: Se somete al material a esfuerzos de compresión sin dirección determinada. Se usa mucho para fabricar piezas en serie como ejes, discos, cigüeñales, engranajes, cuchillos, etc.
  • Recalcado: Se utiliza cuando se desea producir acumulación de material en una zona limitada de un producto semielaborado mediante compresión axial (produciendo simultáneamente un acortamiento). Las piezas obtenidas más típicas son cabezas de tornillos, remaches, clavos, llantas, etc. Puede realizarse en frío o en caliente, siendo la primera la más usada.
  • Extrusión: Se impulsa el metal comprimiéndolo para que fluya a través del orificio de una matriz. La aplicación más directa son cartuchos para balas y perfiles. En frío permite la fabricación de pequeños recipientes de paredes flexibles para pasta de dientes, cremas, pigmentos, etc. (hasta 3,000 piezas/hora). En caliente se obtiene gran variedad de perfiles y piezas de forma sencilla, rápida y económica para series discretas. Cuando la velocidad es muy grande se tiene la extrusión por impacto, empleada para objetos huecos de paredes finas y metales blandos (Cu, Al, Pb).

Laminación

Es un proceso de conformación plástica donde el material fluye de modo continuo en una dirección preferente mediante fuerzas de compresión ejercidas al pasar entre dos cilindros. El metal experimenta un alargamiento en sentido longitudinal, un ensanchamiento y una disminución de sección. Se puede realizar en caliente o en frío (cuya frontera es la temperatura de recristalización).

• Laminación en caliente: Se parte de metales fundidos; la temperatura de trabajo es la de forja, por lo que no hay acritud y se obtienen grandes reducciones de espesor. La fluidez del material por la gran presión crea una estructura fibrosa, eliminando las sopladuras y faltas de homogeneidad. El inconveniente es la oxidación superficial y la formación de cascarilla, que impide operar con pequeñas tolerancias.
• Laminación en frío: Se aplica cuando deben producirse las deformaciones en un pequeño campo de tolerancias o cuando deseamos obtener un material con las características de una forja en frío, produciendo acritud con el consiguiente aumento de la resistencia a la tracción, rigidez y dureza, a la vez que una disminución de la ductilidad y tenacidad.

Estirado y Trefilado

Son dos procesos de conformación que se realizan estirándolos a través de orificios calibrados llamados hileras. Tienen lugar por desplazamiento permanente de material producido principalmente por fuerzas formadoras de tracción, operando generalmente en frío. La diferencia está en el objetivo:

Estampación en Frío de la Chapa

Es uno de los procesos que ha adquirido gran auge debido a la economía en grandes series, la uniformidad de características mecánicas y el excelente acabado superficial. Las condiciones de los materiales son:

1. Superficie lo más perfecta posible.
2. Espesor uniforme en toda la chapa.
3. Características del material uniformes.
4. Mayor rendimiento cuanto más maleables sean.

Los materiales más usados son la chapa de acero dulce. Sus aplicaciones principales se encuentran en la industria carrocera de automóviles y la fabricación de electrodomésticos.

Procesos de Soldadura y Unión

La soldadura puede definirse como un proceso de unión fijo entre metales en el que la adherencia se produce con aporte de calor a una temperatura adecuada, con o sin aplicación de presión, y con adición de metal o aleación (fundidos o no).

• Soldadura heterogénea: Se efectúa entre metales de distinta naturaleza con o sin metal de aportación, o cuando se unen dos metales iguales sin metal de aportación (blanda, fuerte).
• Soldadura homogénea: Tanto los materiales que se sueldan como el metal de aportación son de la misma naturaleza. Si la soldadura se efectúa sin metal de aportación, se denomina autógena (forja, aluminotérmica, ultrasónica, eléctrica).

Tipos Principales de Soldadura

• Soldadura blanda: Unión de metales iguales o distintos mediante una aleación metálica de bajo punto de fusión (siempre menor de 500 °C). Es muy fácil de realizar, pero sus inconvenientes son una resistencia mecánica ligeramente inferior (del orden de 10 a 15 kg/mm²) y el riesgo de pilas de corrosión galvánica en presencia de humedad. Solo es aconsejable en piezas que vayan a permanecer perfectamente secas o recipientes que contengan líquidos o gases no agresivos a presión ordinaria, usándose bastante en conexiones eléctricas.
• Soldadura fuerte: Emplea metales de aportación con punto de fusión superior a 500 °C pero inferior al de los metales que se unen, sin fundir estos últimos. Se distingue la soldadura fuerte amarilla (con latón, entre 650 y 950 °C) y la soldadura fuerte con plata (donde la holgura debe ajustarse al máximo, entre 0.03 y 0.05 mm, para que penetre por capilaridad).
• Soldadura por forja: Procedimiento tradicional de herreros. Consiste en calentar las piezas a unir en una fragua hasta una temperatura próxima a la de fusión y forjarlas juntas. Las superficies deben estar totalmente limpias. Se usa generalmente en aceros de bajo contenido en carbono a unos 1300 °C.
• Soldadura aluminotérmica: Aprovecha como metal de aportación y agente calorífico hierro líquido sobrecalentado, obtenido de una reacción fuertemente exotérmica entre el aluminio y el óxido de hierro a unos 3000 °C. Sus aplicaciones principales son la soldadura de secciones muy gruesas (raíles de ferrocarril, grandes árboles de transmisión, bancadas de motores) y tomas de tierra eléctricas.
• Soldadura por puntos ultrasónica: Sometiendo a dos chapas en contacto a presión entre dos sonotrodos a vibraciones ultrasónicas, se provoca un gripado por fricción que las suelda perfectamente (método muy costoso).
• Soldadura oxiacetilénica o de gas: El calor procede de la combinación de un gas con oxígeno en la boquilla de un soplete (temperaturas de hasta 3500 °C). Es adecuada para piezas de pequeño espesor.
• Oxicorte: Procedimiento de corte de metales por la combustión localizada y continua de los mismos con un chorro de oxígeno, partiendo de un calentamiento previo al rojo con soplete.
• Soldadura por arco: Procedimiento más extendido. Aprovecha el calor concentrado del arco eléctrico (14% ánodo, 36% cátodo, resto columna de gas) para obtener soldaduras por fusión. Variantes:
  • Soldadura TIG: Arco en atmósfera inerte de helio o argón entre la pieza y un electrodo de wolframio, con varilla de aportación exterior.
  • Soldadura MIG/MAG: Se reemplaza el electrodo de wolframio por un alambre desnudo de metal de aportación. MAG utiliza CO₂ (más económico).
• Soldadura por resistencia eléctrica: Basadas en el efecto Joule al pasar corriente eléctrica a través de piezas que oponen resistencia de contacto (piezas de pequeño espesor). Incluye la soldadura por puntos y la soldadura por costura con rodillos giratorios.

Metalurgia y Soldabilidad de la Soldadura

Los procesos de soldeo requieren un calentamiento que produce alteraciones microestructurales semejantes a un tratamiento térmico. Entre los defectos habituales se encuentran la absorción de gases (sopladuras), reacciones atmosféricas, segregaciones de componentes, inclusiones de escorias y tensiones internas que pueden originar grietas.

Soldabilidad: Indica la mayor o menor aptitud de un metal para soldarse con una determinada aleación bajo ciertas condiciones, permitiendo conocer las precauciones necesarias para obtener un cordón exento de defectos y con las características mecánicas requeridas.