INSTITUTO TECNOLOGICO DE TUXTLA GUTIERREZ
TRIBOLOGÍA
INGENIERÍA MECÁNICA
ING. HERNAN VALENCIA SANCHEZ.
TEMARIO
DESCRIPCIÓN GENERAL Y FENÓMENOS BÁSICOS EN LA TRIBOLOGÍA
1.1 Antecedentes
1.2 Importancia de la tribología
1.3 Tipos de fricción
1.4 Mecanismos de desgaste
1.5 Corrosión
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA FRICCIÓN.
2.1 Fricción fluida
2.2 Fricción mezclada
2.3 Fricción de capa limite
2.4 Fricción seca
2.5 Desgastes tribológicos
CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL.
3.1 Aspereza superficial
3.2 Esfuerzos residuales
3.3 Tratamientos térmicos y mecánicos
3.4 Creación de la superficie exterior (torneado, rectificado, pulido, bruñido, etc.)
3.5 Recubrimientos por depósito de metales
TRIBOLOGÍA PRACTICA.
4.1 Equipo y procedimientos para medir y evaluar el desgaste y fricción
4.2 Lubricantes y grasas, propiedad tribológicas
4.3 Recomendaciones generales para disminuir el desgaste en equipos
OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO.
Ø El alumno será capaz de aplicar los conceptos de tribología para el diseño de mecanismos y elementos de máquinas.
Ø Conocerá los equipos y procedimientos para evaluar la fricción y el desgaste con diferente tipo de lubricación y en seco.
¨ UNIDAD I.
DESCRIPCIÓN GENERAL Y FENÓMENOS BÁSICOS EN LA TRIBOLOGÍA.
OBJETIVO EDUCACIONAL.
Clasificará los diversos fenómenos de tribología y su importancia en el funcionamiento de sistemas mecánicos.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.
1.1 Describir antecedentes históricos de la tribología.
1.2 Analizar la importancia de la lubricación.
1.3 Conocer los tipos de fricción.
1.4 Definir los conceptos de abrasión, corrosión.
¨ UNIDAD II.
FUNDAMENTOS TEORICOS DE LA TRIBOLOGÍA.
OBJETIVO EDUCACIONAL.
Analizar los diferentes tipos fricción que se presentan en los diversos elementos de maquinas.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.
2.1 Conocer los tipos de fricción.
2.2 Analizar los diversos casos de fricción de acuerdo al espesor de la capa lubricante.
2.3 Analizar los tipos de desgaste estáticos y dinámicos.
¨ UNIDAD III.
CARACTERISTICAS DE CAPA SUPERFICIAL.
OBJETIVO EDUCACIONAL.
Conocerá las características y los factores de la capa superficial que benefician o afectan su funcionamiento tribológico.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.
3.1 Conocer las características de la superficie como aspereza, esfuerzo, tratamientos térmicos, composición química, etc.
3.2 Establecer los métodos como fue creada la superficie como torneado, bruñido, rectificado, fundido, etc.
3.3 Conocer lo tipos de recubrimientos metálicos.
3.4 Analizar ventajas y desventajas de los diversos acabados superficiales.
¨ UNIDAD IV.
TRIBOLOGÍA PRÁCTICA.
OBJETIVO EDUCACIONAL.
Conocerá y aplicará las recomendaciones tribológicas en el diseño y manufactura de piezas y los procedimientos de pruebas tribológicas para superficies y lubricantes.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.
4.1 Conocer equipo y procedimientos para evaluar desgaste y fricción usando estándares internacionales.
4.2 Conocer las propiedades tribológicas de lubricantes y grasas.
4.3 Establecer recomendaciones generales para disminuir el desgaste.
BIBLIOGRAFIA
CAMERON & ETLES
BASIC LUBRICATION THEORY
JHON WILEY & SON.
M. HUTCHINGS
TRIBOLOGY (FRICTION AND WEAR OF ENGINEERING MATRIALS)
ARNOLD, ST EDMUNDSBURY PRESS.
L. C. MORROW EDITOR
MANUAL DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
C.E.C.S.A.
DOBLEY & FULLER
THEORY AND PRACTICE OF LUBRICATION FOR ENGINEERS
JHON WILEY & SON.
martes, 22 de enero de 2008
I.-DESCRIPCION GENERAL Y FENOMENOS BASICOS EN LA TRIBOLOGIA
1.1 ANTECEDENTES
Los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste fueron conocidos desde tiempos muy antiguos pero con el desarrollo del transporte y la maquinaria, la física se fue volviendo cada vez mas especializada, de tal manera que hasta hace aproximadamente veinte años se estableció la tribología como un apartado de esta ciencia, que agrupa los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste. Podemos decir que el campo de aplicación de la tribología son todos los fenómenos o procesos físicos relacionados con la fricción, lubricación y desgaste, tanto los daños que provocan en las piezas como la manera de reducirlos. La tribología podemos describirla como una ciencia, pero también como una tecnología.
El atacar estos problemas es muy importante para la nueva tecnología porque se necesita reducir el consumo de potencia e incrementar la durabilidad de las máquinas y sus elementos.
La tribología como ciencia nueva en el occidente fue formalmente establecida en el año 1966 en la Gran Bretaña después del informe preparado por un equipo de expertos dirigidos por el doctor J. Peter Jost y J. Sheffield, donde se informaba al parlamento de la tecnología de lubricantes y las pérdidas por daños en maquinaría en ese país, este informe fue llamado desde entonces Reporte de Jost y en esa ocasión se propuso la impartición de la materia de tribología en las diferentes universidades del país y en otros niveles de educación.
Se definió entonces como “La ciencia y tecnología relacionada con las superficies que interactúan entre si y presentan movimientos relativos, así como todos los aspectos prácticos relacionados con éste fenómeno".
En México se inició esta ciencia con el primer simposium internacional de tribología auspiciado por la Academia Nacional de Ingeniería en 1985 y hasta la fecha cada vez se generaliza mas su estudio en las diferentes universidades {Sociedad De Tribólogos E Ingenieros en Lubricación Sección Cd. de México ( Sitio en Internet, stle-ia.org.)}.
1.2 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA.
Dentro de los aspectos que se incluyen en el estudio de la tribología esta la aparición de nuevos materiales antifricción y el efectuar las pruebas necesarias para conocer sus propiedades.
Por otra parte, la tecnología actual necesita nuevos procesos de manufactura para obtener los elementos mecánicos y estos se relacionan con la formación de la capa exterior de los propios elementos, siendo muy importante la estructura de dicha capa y los medios para cambiar sus propiedades.
Anteriormente se aplicaban los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste como elementos aislados para el diseño pero en la actualidad se necesita interrelacionarlos para entender los fenómenos de fricción molecular y así poder desarrollar procesos especiales de manufactura y la sustitución de materiales para reducir el desgaste.
La tribología se ocupa de todos los fenómenos que aparecen cuando dos superficies están en contacto, además es bien conocido que el desgaste depende de la topografía de la superficie, sus características físicas y químicas y las propiedades mecánicas de la capa exterior de la pieza. Últimamente se han aplicado procedimientos de probabilidad para establecer las condiciones de una superficie rugosa.
También el estudio de los diferentes lubricantes, sus características y procesos de fabricación son campos de la tribología.
Nuevos materiales de gran resistencia al desgaste se han obtenido por métodos modernos de producción como la metalurgia de polvos ion-implantación, CVD y PVD cuyas ventajas han sido estudiadas por la tribología.
Otros procesos que también se estudian, son la influencia de vibraciones en el desgaste, la espectrografía del aceite y la ferrografía. La tribología ha sido un factor importante para el desarrollo de equipos tipo CAD-CAM cuyo proceso automático reduce la vigilancia natural del operador en los desgastes y vibraciones del equipo.
1.3 TIPOS DE FRICCIÓN
Para poder describir los problemas que se presentan en la tribología es importante hacer una clasificación detallada de los diferentes fenómenos que se estudian en ella, siendo de los más importantes la fricción que se puede clasificar de acuerdo a los diferentes criterios como son los siguientes.
a) Por su movimiento.
b) Por su localización
-Exterior (Sólido con sólido)
-Interior (Moléculas de un fluido, fricción intermolecular)
c) De acuerdo a la sustancia
-Fluidos (fluida, fronteriza)
-Sólidos (Deformaciones elásticas y plásticas de los materiales)
También podemos hacer una clasificación de fricción de acuerdo al grueso de la capa lubricante, de la siguiente manera:
Los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste fueron conocidos desde tiempos muy antiguos pero con el desarrollo del transporte y la maquinaria, la física se fue volviendo cada vez mas especializada, de tal manera que hasta hace aproximadamente veinte años se estableció la tribología como un apartado de esta ciencia, que agrupa los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste. Podemos decir que el campo de aplicación de la tribología son todos los fenómenos o procesos físicos relacionados con la fricción, lubricación y desgaste, tanto los daños que provocan en las piezas como la manera de reducirlos. La tribología podemos describirla como una ciencia, pero también como una tecnología.
El atacar estos problemas es muy importante para la nueva tecnología porque se necesita reducir el consumo de potencia e incrementar la durabilidad de las máquinas y sus elementos.
La tribología como ciencia nueva en el occidente fue formalmente establecida en el año 1966 en la Gran Bretaña después del informe preparado por un equipo de expertos dirigidos por el doctor J. Peter Jost y J. Sheffield, donde se informaba al parlamento de la tecnología de lubricantes y las pérdidas por daños en maquinaría en ese país, este informe fue llamado desde entonces Reporte de Jost y en esa ocasión se propuso la impartición de la materia de tribología en las diferentes universidades del país y en otros niveles de educación.
Se definió entonces como “La ciencia y tecnología relacionada con las superficies que interactúan entre si y presentan movimientos relativos, así como todos los aspectos prácticos relacionados con éste fenómeno".
En México se inició esta ciencia con el primer simposium internacional de tribología auspiciado por la Academia Nacional de Ingeniería en 1985 y hasta la fecha cada vez se generaliza mas su estudio en las diferentes universidades {Sociedad De Tribólogos E Ingenieros en Lubricación Sección Cd. de México ( Sitio en Internet, stle-ia.org.)}.
1.2 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA.
Dentro de los aspectos que se incluyen en el estudio de la tribología esta la aparición de nuevos materiales antifricción y el efectuar las pruebas necesarias para conocer sus propiedades.
Por otra parte, la tecnología actual necesita nuevos procesos de manufactura para obtener los elementos mecánicos y estos se relacionan con la formación de la capa exterior de los propios elementos, siendo muy importante la estructura de dicha capa y los medios para cambiar sus propiedades.
Anteriormente se aplicaban los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste como elementos aislados para el diseño pero en la actualidad se necesita interrelacionarlos para entender los fenómenos de fricción molecular y así poder desarrollar procesos especiales de manufactura y la sustitución de materiales para reducir el desgaste.
La tribología se ocupa de todos los fenómenos que aparecen cuando dos superficies están en contacto, además es bien conocido que el desgaste depende de la topografía de la superficie, sus características físicas y químicas y las propiedades mecánicas de la capa exterior de la pieza. Últimamente se han aplicado procedimientos de probabilidad para establecer las condiciones de una superficie rugosa.
También el estudio de los diferentes lubricantes, sus características y procesos de fabricación son campos de la tribología.
Nuevos materiales de gran resistencia al desgaste se han obtenido por métodos modernos de producción como la metalurgia de polvos ion-implantación, CVD y PVD cuyas ventajas han sido estudiadas por la tribología.
Otros procesos que también se estudian, son la influencia de vibraciones en el desgaste, la espectrografía del aceite y la ferrografía. La tribología ha sido un factor importante para el desarrollo de equipos tipo CAD-CAM cuyo proceso automático reduce la vigilancia natural del operador en los desgastes y vibraciones del equipo.
1.3 TIPOS DE FRICCIÓN
Para poder describir los problemas que se presentan en la tribología es importante hacer una clasificación detallada de los diferentes fenómenos que se estudian en ella, siendo de los más importantes la fricción que se puede clasificar de acuerdo a los diferentes criterios como son los siguientes.
a) Por su movimiento.
b) Por su localización
-Exterior (Sólido con sólido)
-Interior (Moléculas de un fluido, fricción intermolecular)
c) De acuerdo a la sustancia
-Fluidos (fluida, fronteriza)
-Sólidos (Deformaciones elásticas y plásticas de los materiales)
También podemos hacer una clasificación de fricción de acuerdo al grueso de la capa lubricante, de la siguiente manera:
con base a las fuerzas y las cargas aplicadas podemos utilizar las clasificaciones anteriores para describir los fenómenos básicos y mecanismos de contacto que estudia la tribología.
1.4 MECANISMOS DE DESGASTE.
En la estructura de un material sólido actúan dos fuerzas de acción recíproca, entre átomos y entre moléculas, que son las conexiones atómicas (de corta distancia) y las fuerzas de Van Der Walls (de larga distancia). Para la tribología las fuerzas mas importantes son las de Van Der Walls, las distancia que se maneja en estas fuerzas son de algunos nanómetros y en esas distancias actúan las fuerzas que causan adhesión entre dos superficies externas de los cuerpos en contacto, que son las llamadas fuerzas superficiales que aparecen durante la formación de la superficie, siempre la energía superficial en los átomos exteriores es mayor que en el interior del cuerpo.
Representación de las fuerzas de Van Der Walls.
SUPERFICIE EQUILIBRADA
1.4 MECANISMOS DE DESGASTE.
En la estructura de un material sólido actúan dos fuerzas de acción recíproca, entre átomos y entre moléculas, que son las conexiones atómicas (de corta distancia) y las fuerzas de Van Der Walls (de larga distancia). Para la tribología las fuerzas mas importantes son las de Van Der Walls, las distancia que se maneja en estas fuerzas son de algunos nanómetros y en esas distancias actúan las fuerzas que causan adhesión entre dos superficies externas de los cuerpos en contacto, que son las llamadas fuerzas superficiales que aparecen durante la formación de la superficie, siempre la energía superficial en los átomos exteriores es mayor que en el interior del cuerpo.
Representación de las fuerzas de Van Der Walls.
SUPERFICIE EQUILIBRADA
y se interpreta como la entropía de la superficie para el área unitaria. El valor de la Es se considera en consecuencia como la diferencia entre la energía de todas las moléculas de una capa
dentro del cuerpo contra la energía de la capa superficial del cuerpo.
La energía superficial depende también de la forma de la superficie, cuando el perfil superficial es muy desarrollado y con grandes variaciones, la energía superficial y la tensión serán considerablemente más altas que en un perfil plano.
Las moléculas que quedan en los bordes de las superficies del cuerpo o en lo límites de grano cristalino son las que tienen mayor energía y los procesos de desgaste se inician en ellas ya que son la parte más débil de la estructura, por lo regular el desgaste se advierte hasta que son arrancados granos cristalinos o conjuntos de granos de la superficie y son visibles con una lupa común.
La energía superficial depende también de la forma de la superficie, cuando el perfil superficial es muy desarrollado y con grandes variaciones, la energía superficial y la tensión serán considerablemente más altas que en un perfil plano.
Las moléculas que quedan en los bordes de las superficies del cuerpo o en lo límites de grano cristalino son las que tienen mayor energía y los procesos de desgaste se inician en ellas ya que son la parte más débil de la estructura, por lo regular el desgaste se advierte hasta que son arrancados granos cristalinos o conjuntos de granos de la superficie y son visibles con una lupa común.
SUPERFICIE IRREGULAR
Análisis del mecanismo de desgaste.
El desgaste de los elementos sólidos se puede analizar desde varios puntos de vista, para nuestro caso recurrimos a la clasificación de desgastes tribológicos para identificar las condiciones de trabajo y así tenemos la siguiente clasificación:
El desgaste de los elementos sólidos se puede analizar desde varios puntos de vista, para nuestro caso recurrimos a la clasificación de desgastes tribológicos para identificar las condiciones de trabajo y así tenemos la siguiente clasificación:
Desgaste por Adhesión.
Cuando podemos acercar dos superficies de manera que puedan actuar las fuerzas de Van Der Walls, obtenemos una conexión entre ellas gracias a la absorción física y recibe el nombre de juntura adhesiva y al fenómeno general se le llama adhesión. Para acercar lo suficiente las dos superficies y obtener esta conexión necesitamos aplicar una fuerza grande de una superficie contra la otra para que se presente un área real de contacto que es pequeña en comparación con el área nominal de las superficies, el área real se puede estimar con la siguiente relación:
Cuando podemos acercar dos superficies de manera que puedan actuar las fuerzas de Van Der Walls, obtenemos una conexión entre ellas gracias a la absorción física y recibe el nombre de juntura adhesiva y al fenómeno general se le llama adhesión. Para acercar lo suficiente las dos superficies y obtener esta conexión necesitamos aplicar una fuerza grande de una superficie contra la otra para que se presente un área real de contacto que es pequeña en comparación con el área nominal de las superficies, el área real se puede estimar con la siguiente relación:
C = Constante que depende de la geometría y del material, de la superficie.
N= Fuerza normal
En los puntos de contacto aparecen las soldaduras o juntas adhesivas y estas tienen a menudo propiedades diferentes a los de los materiales originales. Lo peor es que la resistencia de la soldadura sea más alta que uno o ambos materiales lo que hará que se desprendan partículas duras ocasionando un desgaste grave y fuerzas de fricción enormes.
N= Fuerza normal
En los puntos de contacto aparecen las soldaduras o juntas adhesivas y estas tienen a menudo propiedades diferentes a los de los materiales originales. Lo peor es que la resistencia de la soldadura sea más alta que uno o ambos materiales lo que hará que se desprendan partículas duras ocasionando un desgaste grave y fuerzas de fricción enormes.
Difusión.
Los procesos de difusión aparentemente depende de la temperatura y esta aumenta debido al calor que se produce durante la fricción entre dos superficies, los átomos de los metales tienen mucha movilidad lo que ayuda a que se de este proceso. Consiste en absorción atómica de una sustancia en otra y se puede dar a través de tres mecanismos que son: por el movimiento de las valencias, por el movimiento de los átomos o por el intercambio de los iones atómicos. La difusión implica que penetra un material en otro particularmente los metales y sucede solamente en las capas superficiales del material.
Desgaste por oxidación.
La corrosión es un proceso químico o electroquímico que facilita los procesos de desgaste al cambiar la naturaleza de las superficies en contacto y por lo tanto el valor de la fricción.
Como proceso se entiende que es la degradación de los materiales especialmente metales debido a reacciones químicas con el medio, esta acción depende mucho del tipo de material. Los metales tienen una alta actividad y liberan sus átomos en forma de iones en los materiales de baja actividad dejando libres sus electrones, con este proceso se establece una corriente que destruye el ánodo y preserva el cátodo. El conocimiento de este proceso se utiliza para proteger las piezas importantes, este fenómeno también sucede en la red cristalina destruyéndose los cristales de un material principalmente en aleaciones (corrosión inter cristalina) y el evitarla en ocasiones es imposible. Dependiendo de las condiciones de trabajo, la corrosión puede ser desde un problema secundario hasta la causa principal del deterioro de una pieza.
Los procesos de difusión aparentemente depende de la temperatura y esta aumenta debido al calor que se produce durante la fricción entre dos superficies, los átomos de los metales tienen mucha movilidad lo que ayuda a que se de este proceso. Consiste en absorción atómica de una sustancia en otra y se puede dar a través de tres mecanismos que son: por el movimiento de las valencias, por el movimiento de los átomos o por el intercambio de los iones atómicos. La difusión implica que penetra un material en otro particularmente los metales y sucede solamente en las capas superficiales del material.
Desgaste por oxidación.
La corrosión es un proceso químico o electroquímico que facilita los procesos de desgaste al cambiar la naturaleza de las superficies en contacto y por lo tanto el valor de la fricción.
Como proceso se entiende que es la degradación de los materiales especialmente metales debido a reacciones químicas con el medio, esta acción depende mucho del tipo de material. Los metales tienen una alta actividad y liberan sus átomos en forma de iones en los materiales de baja actividad dejando libres sus electrones, con este proceso se establece una corriente que destruye el ánodo y preserva el cátodo. El conocimiento de este proceso se utiliza para proteger las piezas importantes, este fenómeno también sucede en la red cristalina destruyéndose los cristales de un material principalmente en aleaciones (corrosión inter cristalina) y el evitarla en ocasiones es imposible. Dependiendo de las condiciones de trabajo, la corrosión puede ser desde un problema secundario hasta la causa principal del deterioro de una pieza.
Desgaste por abrasión.
Microfotografía de desgaste por abrasión
La abrasión es un desplazamiento elástico y plástico de los granos cristalinos de una superficie, estos rompimientos pueden ser explicados por la mecánica de sólidos y la física de los metales. Para comprender mejor éstos fenómenos de desplazamiento y rompimiento de las estructuras, es necesario estudiar la física de los materiales, lo metales tienen muchos defectos como huecos cristalinos, dislocaciones y límites de grano e incluso defectos en las propias estructuras atómicas.
Cuando se aplica una fuerza a un grano cristalino, primero se provocan desplazamientos elásticos y como la estructura no es perfecta aparecen concentraciones de esfuerzos y éstos valores pueden superar el punto de cedencia. La temperatura también influye en la capacidad para soportar esfuerzos, si aumentan los esfuerzos rápidamente, empezará la microfisuración.
El desplazamiento plástico depende de la perfección de la estructura cristalina, los desplazamientos de material tienen lugar en dirección de los planos de resistencia más baja, durante el desplazamiento de éstos planos se destruye la superficie y otros planos toman su lugar ocasionando la destrucción de toda la estructura, cambian las propiedades mecánicas del material, aumenta su dureza apareciendo deformaciones y concentraciones de esfuerzo. Durante el desplazamiento de las dislocaciones todos los defectos de la estructura se mueven, algunos se conjugan y otros se detienen pero rápidamente crece el número de defectos.
Cuando se aplica una fuerza a un grano cristalino, primero se provocan desplazamientos elásticos y como la estructura no es perfecta aparecen concentraciones de esfuerzos y éstos valores pueden superar el punto de cedencia. La temperatura también influye en la capacidad para soportar esfuerzos, si aumentan los esfuerzos rápidamente, empezará la microfisuración.
El desplazamiento plástico depende de la perfección de la estructura cristalina, los desplazamientos de material tienen lugar en dirección de los planos de resistencia más baja, durante el desplazamiento de éstos planos se destruye la superficie y otros planos toman su lugar ocasionando la destrucción de toda la estructura, cambian las propiedades mecánicas del material, aumenta su dureza apareciendo deformaciones y concentraciones de esfuerzo. Durante el desplazamiento de las dislocaciones todos los defectos de la estructura se mueven, algunos se conjugan y otros se detienen pero rápidamente crece el número de defectos.
La naturaleza de estos procesos se explican en la teoría de Griffits donde se mencionan además los fenómenos de adhesión, absorción y difusión.
Basándose en la resistencia estática de materiales los científicos Davidenkof y Friedman prepararon un diagrama hipotético que explica el comportamiento de los metales durante el desplazamiento que puede ocasionar fisuras.
Basándose en la resistencia estática de materiales los científicos Davidenkof y Friedman prepararon un diagrama hipotético que explica el comportamiento de los metales durante el desplazamiento que puede ocasionar fisuras.
El estado de esfuerzos del material se indica en el diagrama con las líneas rectas . Las propiedades del material se grafican como líneas verticales y horizontales, cada material tiene sus propias limitaciones de resistencia-cedencia y desplazamientos, pero la forma del rompimiento depende principalmente del estado de esfuerzos (relación ). La compresión especialmente la multiaxial ayuda a que el material se comporte de manera dúctil.
De acuerdo a la gráfica, para poder predecir si la ruptura del material es dúctil o frágil es necesario el conocimiento del estado de esfuerzos y este comportamiento depende de las condiciones de trabajo.
Analizando los problemas de rompimiento se llega a descubrir cual es el esfuerzo que realmente produce el rompimiento específicamente en las superficies de contacto. Cuando las partes trabajan con variaciones dinámicas importantes o con fluidos intermedios se vuelve más compleja la interpretación.
Refiriéndose al mecanismo de destrucción de la superficie sucede que se crea una micro fisura y ésta se une con otras hasta que sobrepasa el tamaño crítico, en estas condiciones el surco se desarrolla en avalancha de acuerdo a las propiedades del material y las condiciones de esfuerzo. Puede ser que la rima pare por si misma o alcance a romper el grano y hasta la pieza, la fractura frágil la podemos interpretar como la fractura por corte que es el desplazamiento de dos capas internas y cuando este fenómeno sucede en las superficies de contacto se da el fenómeno de abrasión.
Las estructuras cristalinas que son arrancadas en este proceso tienden a mantenerse sobre las propias superficies en movimiento haciendo las veces de una herramienta de corte formando surcos y desprendiendo estructuras cada vez mayores hasta llegar al desgaste catastrófico. La energía consumida en el proceso de arrastre cuando se presenta la abrasión se calcula utilizando la misma teoría y fórmulas que se aplican para el desbaste con herramienta de corte en maquinaria.
DESGASTE TÉRMICO.
Se pueden presentar como consecuencia de cualquier otro tipo de desgaste que ocasiona el aumento de la temperatura de las superficies en contacto cambiado sus propiedades mecánicas principalmente la dureza y elasticidad, pudiendo llegar a que la superficie sea extremadamente plástica y tienda a fluir o en casos extremos hasta cambiar a fase liquida, generalmente esta asociado al desgaste catastrófico.
EFECTO DE REBINDER.
Este efecto se presenta en las superficies lubricadas, con lubricantes polares y estos pueden cambiar las propiedades de la superficie haciendo cambiar la resistencia al desgaste abrasivo. Su efecto es ensanchar las microfisuras debido a las fuerzas de adhesión y tensioactividad del lubricante, actúa como una cuña sobre la fisura y esta relacionada directamente con la energía superficial del lubricante.
Los fluidos tensioactivos, están formados por moléculas bipolares, una parte de la molécula se adhiere a la superficie sólida, especialmente en metales y la otra parte se alinea con su polo opuesto dirigido hacia la molécula adherida a la superficie contigua de la fisura, provocando el ensanchamiento de la misma, este fenómeno tiene gran influencia en la forma y recorrido del desgaste. En piezas con fisuras los aceites polares son perjudiciales ya que propician que falle la pieza, y que las fisuras se vayan haciendo cada vez mayores por la acción de la presión hidráulica que se presenta además de la acción polar descrita.
De acuerdo a la gráfica, para poder predecir si la ruptura del material es dúctil o frágil es necesario el conocimiento del estado de esfuerzos y este comportamiento depende de las condiciones de trabajo.
Analizando los problemas de rompimiento se llega a descubrir cual es el esfuerzo que realmente produce el rompimiento específicamente en las superficies de contacto. Cuando las partes trabajan con variaciones dinámicas importantes o con fluidos intermedios se vuelve más compleja la interpretación.
Refiriéndose al mecanismo de destrucción de la superficie sucede que se crea una micro fisura y ésta se une con otras hasta que sobrepasa el tamaño crítico, en estas condiciones el surco se desarrolla en avalancha de acuerdo a las propiedades del material y las condiciones de esfuerzo. Puede ser que la rima pare por si misma o alcance a romper el grano y hasta la pieza, la fractura frágil la podemos interpretar como la fractura por corte que es el desplazamiento de dos capas internas y cuando este fenómeno sucede en las superficies de contacto se da el fenómeno de abrasión.
Las estructuras cristalinas que son arrancadas en este proceso tienden a mantenerse sobre las propias superficies en movimiento haciendo las veces de una herramienta de corte formando surcos y desprendiendo estructuras cada vez mayores hasta llegar al desgaste catastrófico. La energía consumida en el proceso de arrastre cuando se presenta la abrasión se calcula utilizando la misma teoría y fórmulas que se aplican para el desbaste con herramienta de corte en maquinaria.
DESGASTE TÉRMICO.
Se pueden presentar como consecuencia de cualquier otro tipo de desgaste que ocasiona el aumento de la temperatura de las superficies en contacto cambiado sus propiedades mecánicas principalmente la dureza y elasticidad, pudiendo llegar a que la superficie sea extremadamente plástica y tienda a fluir o en casos extremos hasta cambiar a fase liquida, generalmente esta asociado al desgaste catastrófico.
EFECTO DE REBINDER.
Este efecto se presenta en las superficies lubricadas, con lubricantes polares y estos pueden cambiar las propiedades de la superficie haciendo cambiar la resistencia al desgaste abrasivo. Su efecto es ensanchar las microfisuras debido a las fuerzas de adhesión y tensioactividad del lubricante, actúa como una cuña sobre la fisura y esta relacionada directamente con la energía superficial del lubricante.
Los fluidos tensioactivos, están formados por moléculas bipolares, una parte de la molécula se adhiere a la superficie sólida, especialmente en metales y la otra parte se alinea con su polo opuesto dirigido hacia la molécula adherida a la superficie contigua de la fisura, provocando el ensanchamiento de la misma, este fenómeno tiene gran influencia en la forma y recorrido del desgaste. En piezas con fisuras los aceites polares son perjudiciales ya que propician que falle la pieza, y que las fisuras se vayan haciendo cada vez mayores por la acción de la presión hidráulica que se presenta además de la acción polar descrita.
II.-FUNDAMENTOS TECNICOS DE LA FRICCION
UNIDAD II
FUNDAMENTOS TEORICOS DE LA FRICCION
MODELOS DE FRICCION Y LUBRICACIÓN
El comportamiento de dos superficies que interactúan en el proceso de fricción cambia a medida que se modifica la forma del trabajo y el tipo de fricción estará en función del grueso relativo de la capa lubricante ( R ). Este valor se puede analizar en la siguientes figuras:
Perfil real de una línea de superficie tomada con perfilómetro a diversas escalas
Diagrama de posición de 2 superficies separadas por lubricante.
I
Función de
variación
y1(x)
X1
h
y2(x
X2
II
X = promedio de rugosidades en una superficie
h = Espesor de la capa lubricante (promedio entre las desviaciones de rugosidad)
y(x1) = valor de una discontinuidad
Los valores h son los espesores efectivos del lubricante para una relación de discontinuidades entre las dos superficies en un instante dado.
Para poder efectuar el calculo del grueso relativo necesitamos utilizar formulas derivadas de la probabilidad y estadística, ya que es imposible medir las variaciones individuales para Y, y tenemos que:
espesor relativo de la capa lubricante
desviación media de la línea de centros de
las rugosidades
Para las superficies I y II
El valor R nos permite identificar la forma de fricción que mayormente se presentara entre las superficies de contacto.
En el caso de que R se encuentre entre 5 y 100 tendremos una fricción fluida o hidrodinámica donde el mayor fenómeno de fricción se da entre las moléculas del lubricante.
Para cuando R se encuentra entre 1 y 10 existe la fricción elastohidrodinámica con deformaciones elásticas entre las moléculas del lubricante y además se presenta una deformación elástica en el vértice de las rugosidades. Cuando en este caso se presentan grandes cargas normales o cuando R es muy cercana a 1 se presenta la fricción fronteriza y si los valores son menores se considera fricción seca técnicamente.
En la mayor parte de las maquinas se presentará la fricción mixta o mezclada, dependiendo del régimen de movimiento y cargas aunque R>5.
2.1 FRICCION FLUIDA ( 5 < R<100 )
La teoría de esta fricción hidrodinámica es la más desarrollada de todas, la base la dio Isaac Newton en 1668, en su artículo sobre flujo laminar de un fluido viscoso, en la actualidad se han ampliado los conceptos de esta teoría, pero los resultados básicos no cambian.
La base de esta teoría es el análisis de una columna unitaria de fluido con una altura h y una base (dx)(dy) sobre la que se aplican flujos en diferentes direcciones que entran y salen de la columna y son afectados por diferentes factores como el esfuerzo cortante entre las moléculas del fluido y la propia velocidad de flujo por lo que es necesario desarrollar una formula de continuidad que contemple estos aspectos.
Por otro lado, cuando tenemos un fluido viscoso entre dos cilindros concéntricos y empezamos la rotación entre ellos aparece la fuerza de resistencia “F” que frena el movimiento y es proporcional al grueso de la película del fluido h, también se considera el área mojada del cilindro A y la diferencia de velocidad entre los dos cilindros “V” quedando:
F = µ A V / h
Resistencia al giro.
A = área mojada
h = espesor de
película
Como la película entre las dos superficies puede cambiar su espesor, las formulas para estas variaciones nos quedan. ( El coeficiente de fricción fluida m depende de la velocidad )
F = µ A dV / dh
Y si sabemos que la fuerza de resistencia depende del esfuerzo cortante y el área nos queda:
F = τ A Por lo tanto τ = µ dV / dh
Este es el resultado obtenido por Newton. Continuando con el análisis podemos llegar a la ecuación de continuidad establecida por Reynolds y si se hacen algunas consideraciones para simplificar la ecuación, como que las superficies sólidas son impermeables y que no hay cambio de régimen en el tiempo y de espesor, como sucede en los cojinetes, además se considera constante la viscosidad en todas direcciones nos queda la expresión mas usual de la ecuación de Reynolds que es:
h = viscosidad
Pendiente de presión m = velocidad relativa de las superficies
En ingeniería los mas importantes de los indicadores de fricción es el coeficiente de fricción y el desgaste. El primero para fricción fluida tiene valores entre (.0001 a .01) y el desgaste de las superficies prácticamente no existe (a excepción de la corrosión). Este tipo de fricción es el mejor para parejas tribológicas, desafortunadamente en muy pocos casos puede ser aplicada durante todo el periodo de trabajo, solo en cojinetes con lubricación a presión de bomba independiente se considera fricción fluida todo el tiempo.
Al inicio del movimiento la resistencia del cojinete hidrodinámico es enorme ya que el coeficiente fricción es prácticamente en seco, la resistencia puede ser tanta que rodillos muy pesados podrían no moverse y es mejor iniciar el trabajo con lubricación hidrostática.
La columna de separación en los cojinetes la podemos calcular en la ecuación Reynolds para obtener la presión requerida, esta presión hidrostática garantiza coeficientes de fricción muy bajos pero hay necesidad de consumir energía para obtener la presión en el fluido y levantar el rodillo lo que incrementa los gastos de construcción, mantenimiento y consumo de energía.
En la siguiente grafica se muestra la relación del consumo de potencia para lograr la lubricación hidrostática de acuerdo al grueso de la película que se desea.
Consumo
de
Potencia Pérdidas totales
Pérdidas de potencia en la bomba
Fricción fluida
Pérdidas de potencia por fricción
0
Grueso de la película de lubricante
2.2 FRICCION MEZCLADA O MIXTA (R>5)
En la fricción mixta se presentan paralelamente casi todos los fenómenos de fricción al mismo tiempo ya que no garantiza con este coeficiente que las superficies estén totalmente separadas, para interpretar R influye mucho la rugosidad y las condiciones de trabajo de las dos superficies.
El modelo grafico para la fricción mezclada es la siguiente:
Microsoldadura
Burbuja
Lubricante
Fricción fluida Fricción fronteriza sin fricc.
Fricción Fricción
seca seca
Gumber y Everling establecen que la fuerza máxima de fricción mezclada ( fm ) es igual al coeficiente de fricción mezclado por la carga normal fm = mm N y desarrollan además el cálculo para el coeficiente de fricción mezclada que es
mm = mo - K h V / hP coef. de fricción mixta
mo = Coeficiente de fricción estático.
K = Coeficiente característico de las superficies.
h = Viscosidad.
h = Profundidad del aceite (suma de las rugosidades máximas de la superficies).
V = Velocidad relativa de desplazamiento.
P = Presión (F/A).
Esta fórmula no permite caracterizar la fricción entre dos superficies que cambian el carácter de su contacto, por ejemplo cambios continuos en la capa de lubricante por variaciones de velocidad o de carga.
Otra teoría afirma que la fuerza de fricción mezclada es la suma de las fuerzas de adhesión y la resistencia interna del fluido, pero este punto de vista pierde su validez a bajas velocidades.
Nieman y Gartner establecen que la carga normal N en la fricción mezclada puede ser dividida en dos partes que son: la carga provocada por el contacto sólido Ns y la carga que se presenta en los claros donde existe fluido Nf.
N = Ns + Nf
Tm = m (Ns + Nf)
Otro fenómeno que se debe tomar en cuenta durante el movimiento de las superficies es la formación de la cuña de aceite que se forma durante el movimiento ya que de ella depende el valor Nf puesto que si se logra mantener la cuña de aceite con la velocidad, no habrá contacto metálico y Ns será cero (Ns=0). La fuerza de elevación dada por la cuña es mayor para la fricción fluida que para la fricción mezclada y en general las fórmulas que explican el fenómeno consideran que las rugosidades de las superficies son uniformes tienen propiedades elastoplásticas.
N
Vel.
Lubricante
h0
a
a = Longitud de la cuña de aceite
h0 = Espesor mínimo de la cuña
2.3 FRICCIÓN DE CAPA LÍMITE O FRONTERÍZA (R < 1).
La fricción fronteriza tiene lugar cuando la capa del lubricante presenta el grueso de algunas partículas moleculares , esta capa tiene propiedades específicas que la distinguen de otros tipos de fricciones.
El coeficiente de fricción depende de la carga normal de la velocidad de desplazamiento y del factor de temperatura, así como también de las propiedades químicas del lubricante. Para diferentes lubricantes se dan diferentes relaciones entre el coeficiente de fricción y la carga normal provoca una disminución en el coeficiente de fricción.
Para obtener la capa fronteriza hay que utilizar lubricantes líquidos y grasas que tengan actividad química (no son buenos los lubricantes minerales puros porque no actúan químicamente).
Las sustancias o aditivos que mejoran la actividad química de los lubricantes se denominan unidades y afectan las moléculas del lubricante volviéndolas polares lo que resulta en una mayor adherencia. Dentro de estas sustancias tenemos las siguientes:
a) Unidades de Oxígeno. Se usan frecuentemente en grasas y el oxígeno que contienen reacciona con la superficie metálica creando la capa fronteriza
b) Unidades de Azufre. Un factor activo que mejora la resistencia de la capa de fluido es el azufre que actúa creando uniones con los metales dando como resultado muy bajos coeficientes de fricción. Los modelos de las moléculas y uniones que se crean sobre la superficie son muy complicados y hasta la fecha no han sido completamente interpretados.
c) Unidades de Cloro. Crean sobre la superficie una capa de mucha durabilidad y resistencia a la acción mecánica, sin embargo, estas unidades son muy activas y pueden provocar corrosión.
d) Unidades de Fósforo. Se manejan como fosfatos y tienen las mismas ventajas que el cloro, sin producir tanta corrosión.
e) Otras unidades. Actualmente se usan unidades compuestas como sulfuro-fósforo-nitrógeno, que presentan grandes ventajas por su bajo coeficiente de fricción y desgaste ya que mantienen una capa fronteriza resistente.
Modelos de capa fronteriza.
El conocimiento de la orientación de las partículas de aceite adheridas a la capa de la superficie lubricada dio la posibilidad de crear los modelos de la capa fronteriza, cada molécula de hidrocarburo tiene su parte polar hecha de CH y otros elementos. Las partes polares se atraen a si mismas fuertemente lo mismo que con las superficies sólidas, las moléculas no polares no presentan atracción y se desplazan fácilmente con un movimiento paralelo a las superficies en movimiento de manera similar al diagrama:
Moléculas no polares Moléculas polares
Ejemplos de moléculas polares
a ).- Tricresol fosfato
b).- Dibencil disulfuro
c).- Zinc dialkil ditiofosfato
El modelo de Marelin es el diagrama más completo acerca de los diferentes sucesos que se dan en la capa fronteriza y más allá de ella, cuando la separación entre las piezas en movimiento es relativamente grande.
2.4 FRICCIÓN SECA.
La hipótesis de fricción seca las podemos clasificar en tres grandes grupos de acuerdo a las bases de los fenómenos que se toman en cuenta:
Teorías
Fundador
Fórmula
Comentarios
Mecánicas
Amontons
Coulomb
Bouden
f = m N
f = A + m N
f = Ar mr + Ac Pc
Relaciona solo las rugosidades superficiales. m no depende del área de contacto. Teoría de la creación y rompimiento de las conexiones (corte de juntas adhesivas y deformaciones plásticas).
Molécular
Thorlinson
F = m ( N + No )
No = Po + Ar
La resistencia a la fricción depende la atracción molecular.
Mecánico Molecular
Kranielski
m = ( a Ar/ N ) + b
a depende de la rugosidad
b depende de la atracción molecular
La fricción depende tanto de la resistencia entre rugosidades como las conexiones adhesivas y atracción molecular.
Dependencia del desgaste y carga exterior con el tipo de fricción.
El tipo de fricción que se presenta entre las superficies influye principalmente en el proceso de desgaste que finalmente limita la durabilidad de los equipos, podemos analizar gráficamente de una manera simple la dependencia entre estos dos factores.
fricción
elastohidrodinámica
Area recomendada Fricción seca
fricción fricción
hidrodinámica fronteriza
Desgaste
sin desgaste desgaste desgaste y desgaste
desgaste por adhesivo abrasivo catastrófico
corrosión
2.5 DESGASTE TRIBOLÓGICO
Los procesos de desgaste por su carácter complejo no tienen una teoría unificada y solo para algunos tipos de desgaste podemos predecir su valor. Por otra parte durante el proceso de uso de las superficies se presentan varios tipos de desgaste que amplían su intensidad. Como se muestra en la figura anterior.
DESGASTE POR ADHESIÓN.
Formación de una junta adhesiva o microsoldadura
El mecanismo de desgaste por adhesión fue explicado anteriormente y lo podemos relacionar en una expresión matemática, suponiendo que la resistencia a la compresión en el estado de esfuerzos multiaxiales actuando en la zona de contacto es tres veces mayor que la resistencia uniaxial o limite de elasticidad. Además se puede decir que el material puede fluir cuando la carga normal sobrepasa el valor
W = Ar (3σu ).
Durante el contacto existe la probabilidad ( k ), de que se formen juntas o soldaduras adhesivas.
Archer supone que las partículas de desgaste son semiesféricas con un diámetro de ( d ) igual al diámetro de las soldaduras y que tiene el mismo tamaño cuando suceden n soldaduras al mismo tiempo y el área de contacto real será por lo tanto:
Ar = n( π d2 / 4 ).
Otra suposición es que todas las soldaduras quedan conectadas en el mismo camino de deslizamiento para una distancia unitaria y así el volumen total de las partículas ( Δv ), formadas al recorrer la distancia ( Δl ), seria igual :
(Δv/ Δl ) = KN π d3/12.
Si hacemos el análisis para la distribución total e incluimos la carga normal obtendremos el valor volumétrico del desgaste adhesivo.
Ls = La distribución total
Vadh = KWLs / 9σu
Podemos dividir este valor entre le area de contacto nominal ( An ) para obtener el desgaste adhesivo promedio ( dadh ).
dadh = (Vadh / An ) = KWLs / 9 σu An
para simplificar tomamos el coeficiente de adhesión ( Kadh )
Kadh = K / 9 σu
y la expresión media nominal como:
Pm= w/An
Y así tenemos el desgaste promedio como:
dadh = Kadh Pm Ls
En la practica para obtener los desgastes adhesivos se han elaborado tablas para materiales que trabajan sin lubricación con los valores de Kadh de la formula.
Los datos experimentales demuestran que este coeficiente no varia por debajo del limite elástico, pero por encima de el aumenta rápidamente.
Pareja de material
Kadh
Zinc sobre zinc
160 (10 )-3
Acero sobre acero
45 (10 )-3
Cobre sobre cobre
32 (10 )-3
Cobre sobre acero
1.5 (10 )-3
Baquelita sobre baquelita
0.02 (10 )-3
Nota: cuando Pm < σu es constante.
DESGASTE POR ABRASIÓN
El mecanismo de desgaste por abrasión es similar al desarrollo por la herramienta de corte bajo el principio de arranque de viruta. El modelo para calcular el desgaste abrasivo lo podemos analizar en la siguiente:
Ls W
Ls = recorrido
h = altura de penetración
Vabr = volumen desgastado en la abrasión
W = carga
Ach = area de contacto proyectada sobre la superficie horizontal
q = angulo de filo
con respecto a la figura podemos establecer diferentes relaciones como son:
( W’ / Ach ) = 3 σu
W’= carga nominal para una sola rugosidad
σu = limite de elasticidad
W’ = 3 σu ( πr2 )
Area transversal del corte de la ranura : Ach = r h = r2 tg θ
Volumen total desgastado en una ranura: V’abr = Ach Ls r2 tg θ
Sumando todas las rugosidades: Vabr = W Ls (tg θ)m/ 3 π σu
Donde (tg θ)m = tangente media de las rugosidades.
Esta ultima formula es muy parecida a la obtenida para el volumen adhesivo, solamente que la constante “k” , en este caso viene a ser la tangente promedio de los ángulos de las rugosidades y también se cuenta con los valores típicos de acuerdo a los diferentes acabados y los materiales mas comunes. Si substituimos la profundidad media del desgaste abrasivo obtenemos el desgaste abrasivo que será:
dabr = ( Vabr / An )= {(tg θ)m / 3 π σu)} ( w / An) Ls
dabr = Kabr Pm Ls
Kabr = constante de desgaste abrasivo
Pm = presión media
En este caso Kabr viene a ser el coeficiente de desgaste abrasivo que depende de las características de las rugosidades superficiales y del limite de elasticidad del material mas suave.
Para una aplicación practica es necesario tener los valores de K abrasivo, generalmente de manera experimental, aunque ya se cuenta con las tablas para este fin.
Para seleccionar los materiales a utilizar cuando ocurre el desgaste abrasivo es necesario conocer la dureza y el modulo de elasticidad del material; el aumente en la dureza y la disminución en el coeficiente Kabr, mejoran la resistencia al desgaste abrasivo.
Maquinados sin rectificar (SI)
Material
Condiciones
Kab / E x 10-6
Al2 O3
Duro
143
Hierro fundido
Duro
33
Carburo de tugsteno
9 % C
22
Titanio
Puro
17
Cobre
Suave
2.5
Aluminio
Puro
2
Plata
Puro
2.3
estaño
puro
0.7
DESGASTE POR OXIDACION.
El mecanismo ya se analizo anteriormente pero se puede agregar que la oxidación aparece tanto en la fricción de deslizamiento como la de rodamiento y se toma en cuenta cuando las capas de oxido son mayores que la destrucción del material por abrasión. La oxidación siempre será mas notoria en las regiones deformadas plásticas y elásticamente.
En los materiales ferrosos se forman tres capas de oxido que son :
Fe O2
Fe O3
Fe O4
Pero cuando se introducen estas reacciones químicas con los cristales deformados no existe una teoría exacta que relacione la influencia de la fricción con la oxidación en el medio ambiente.
DESGASTE POR FATIGA.
La tribología se interesa principalmente en la forma superficial del desgaste por fatiga. Este tipo de fatiga es causada por los contactos continuos o lineales entre la superficie. Las formulas empíricas para calcular la durabilidad superficial se basan en las siguientes relaciones.
N = (C / P )α
N = Numero de ciclos de vida útil.
C = Constante de acuerdo ala manufactura de la pieza.
P = Carga aplicada.
α = Exponente que depende del material.
Las formas de fatiga superficial que se manejan en la practica son el pitting (punteado ), spalling (descamación) y el fretting (tallado).
DESGASTE POR PITTING.
Aparece principalmente en la fricción por ralladura con asistencia de lubricante( capa delgada) y es un proceso causado por las cargas cíclicas sobre los mismos puntos y la acción mecánica de propagación de grietas debidas a la presión del aceite o grasa. El proceso lo podemos dividir en tres etapas :
1.-La fatiga superficial del material con inicio de microfisuras o microgrietas.
2.-La propagación de las grietas como resultado del acuñado del aceite o la grasa.
3.-La extracción por medio de lubricante de partículas metálicas que perdieron su sustentación.
Este proceso se puede observar con una lupa normal de por lo menos 20 aumentos.
DESGASTE POR SPALLING. ( Descamación )
Es el proceso que continua al pitting y a nivel microscópico sucede que se unen muchas microfisuras para arrancar un pedazo relativamente grande que regularmente es demasiado grande para poder deslizarse con el lubricante entre las superficies y es aplastado entre ellas haciendo mas intensa la propia descamación.
Escama formada en una pista de balero
DESGASTE POR FRETTING.
Este fenómeno se presenta entre dos superficies que actúan casi sin movimiento relativo pero con cargas cíclicas de contacto. Se trata de una composición de desgaste abrasivo y de oxidación en zonas donde hay concentración de esfuerzos y calentamiento lo que facilita la oxidación.
Concentración de esfuerzos
Desgaste y
calentamiento
Movimiento
La formación de óxidos duros y frágiles en la zona de esfuerzos actúan abrasivamente sobre el núcleo de la pieza conectada, aumentando paulatinamente el desgaste.
Superficie con desprendimientos debidos al freatting
FUNDAMENTOS TEORICOS DE LA FRICCION
MODELOS DE FRICCION Y LUBRICACIÓN
El comportamiento de dos superficies que interactúan en el proceso de fricción cambia a medida que se modifica la forma del trabajo y el tipo de fricción estará en función del grueso relativo de la capa lubricante ( R ). Este valor se puede analizar en la siguientes figuras:
Perfil real de una línea de superficie tomada con perfilómetro a diversas escalas
Diagrama de posición de 2 superficies separadas por lubricante.
I
Función de
variación
y1(x)
X1
h
y2(x
X2
II
X = promedio de rugosidades en una superficie
h = Espesor de la capa lubricante (promedio entre las desviaciones de rugosidad)
y(x1) = valor de una discontinuidad
Los valores h son los espesores efectivos del lubricante para una relación de discontinuidades entre las dos superficies en un instante dado.
Para poder efectuar el calculo del grueso relativo necesitamos utilizar formulas derivadas de la probabilidad y estadística, ya que es imposible medir las variaciones individuales para Y, y tenemos que:
espesor relativo de la capa lubricante
desviación media de la línea de centros de
las rugosidades
Para las superficies I y II
El valor R nos permite identificar la forma de fricción que mayormente se presentara entre las superficies de contacto.
En el caso de que R se encuentre entre 5 y 100 tendremos una fricción fluida o hidrodinámica donde el mayor fenómeno de fricción se da entre las moléculas del lubricante.
Para cuando R se encuentra entre 1 y 10 existe la fricción elastohidrodinámica con deformaciones elásticas entre las moléculas del lubricante y además se presenta una deformación elástica en el vértice de las rugosidades. Cuando en este caso se presentan grandes cargas normales o cuando R es muy cercana a 1 se presenta la fricción fronteriza y si los valores son menores se considera fricción seca técnicamente.
En la mayor parte de las maquinas se presentará la fricción mixta o mezclada, dependiendo del régimen de movimiento y cargas aunque R>5.
2.1 FRICCION FLUIDA ( 5 < R<100 )
La teoría de esta fricción hidrodinámica es la más desarrollada de todas, la base la dio Isaac Newton en 1668, en su artículo sobre flujo laminar de un fluido viscoso, en la actualidad se han ampliado los conceptos de esta teoría, pero los resultados básicos no cambian.
La base de esta teoría es el análisis de una columna unitaria de fluido con una altura h y una base (dx)(dy) sobre la que se aplican flujos en diferentes direcciones que entran y salen de la columna y son afectados por diferentes factores como el esfuerzo cortante entre las moléculas del fluido y la propia velocidad de flujo por lo que es necesario desarrollar una formula de continuidad que contemple estos aspectos.
Por otro lado, cuando tenemos un fluido viscoso entre dos cilindros concéntricos y empezamos la rotación entre ellos aparece la fuerza de resistencia “F” que frena el movimiento y es proporcional al grueso de la película del fluido h, también se considera el área mojada del cilindro A y la diferencia de velocidad entre los dos cilindros “V” quedando:
F = µ A V / h
Resistencia al giro.
A = área mojada
h = espesor de
película
Como la película entre las dos superficies puede cambiar su espesor, las formulas para estas variaciones nos quedan. ( El coeficiente de fricción fluida m depende de la velocidad )
F = µ A dV / dh
Y si sabemos que la fuerza de resistencia depende del esfuerzo cortante y el área nos queda:
F = τ A Por lo tanto τ = µ dV / dh
Este es el resultado obtenido por Newton. Continuando con el análisis podemos llegar a la ecuación de continuidad establecida por Reynolds y si se hacen algunas consideraciones para simplificar la ecuación, como que las superficies sólidas son impermeables y que no hay cambio de régimen en el tiempo y de espesor, como sucede en los cojinetes, además se considera constante la viscosidad en todas direcciones nos queda la expresión mas usual de la ecuación de Reynolds que es:
h = viscosidad
Pendiente de presión m = velocidad relativa de las superficies
En ingeniería los mas importantes de los indicadores de fricción es el coeficiente de fricción y el desgaste. El primero para fricción fluida tiene valores entre (.0001 a .01) y el desgaste de las superficies prácticamente no existe (a excepción de la corrosión). Este tipo de fricción es el mejor para parejas tribológicas, desafortunadamente en muy pocos casos puede ser aplicada durante todo el periodo de trabajo, solo en cojinetes con lubricación a presión de bomba independiente se considera fricción fluida todo el tiempo.
Al inicio del movimiento la resistencia del cojinete hidrodinámico es enorme ya que el coeficiente fricción es prácticamente en seco, la resistencia puede ser tanta que rodillos muy pesados podrían no moverse y es mejor iniciar el trabajo con lubricación hidrostática.
La columna de separación en los cojinetes la podemos calcular en la ecuación Reynolds para obtener la presión requerida, esta presión hidrostática garantiza coeficientes de fricción muy bajos pero hay necesidad de consumir energía para obtener la presión en el fluido y levantar el rodillo lo que incrementa los gastos de construcción, mantenimiento y consumo de energía.
En la siguiente grafica se muestra la relación del consumo de potencia para lograr la lubricación hidrostática de acuerdo al grueso de la película que se desea.
Consumo
de
Potencia Pérdidas totales
Pérdidas de potencia en la bomba
Fricción fluida
Pérdidas de potencia por fricción
0
Grueso de la película de lubricante
2.2 FRICCION MEZCLADA O MIXTA (R>5)
En la fricción mixta se presentan paralelamente casi todos los fenómenos de fricción al mismo tiempo ya que no garantiza con este coeficiente que las superficies estén totalmente separadas, para interpretar R influye mucho la rugosidad y las condiciones de trabajo de las dos superficies.
El modelo grafico para la fricción mezclada es la siguiente:
Microsoldadura
Burbuja
Lubricante
Fricción fluida Fricción fronteriza sin fricc.
Fricción Fricción
seca seca
Gumber y Everling establecen que la fuerza máxima de fricción mezclada ( fm ) es igual al coeficiente de fricción mezclado por la carga normal fm = mm N y desarrollan además el cálculo para el coeficiente de fricción mezclada que es
mm = mo - K h V / hP coef. de fricción mixta
mo = Coeficiente de fricción estático.
K = Coeficiente característico de las superficies.
h = Viscosidad.
h = Profundidad del aceite (suma de las rugosidades máximas de la superficies).
V = Velocidad relativa de desplazamiento.
P = Presión (F/A).
Esta fórmula no permite caracterizar la fricción entre dos superficies que cambian el carácter de su contacto, por ejemplo cambios continuos en la capa de lubricante por variaciones de velocidad o de carga.
Otra teoría afirma que la fuerza de fricción mezclada es la suma de las fuerzas de adhesión y la resistencia interna del fluido, pero este punto de vista pierde su validez a bajas velocidades.
Nieman y Gartner establecen que la carga normal N en la fricción mezclada puede ser dividida en dos partes que son: la carga provocada por el contacto sólido Ns y la carga que se presenta en los claros donde existe fluido Nf.
N = Ns + Nf
Tm = m (Ns + Nf)
Otro fenómeno que se debe tomar en cuenta durante el movimiento de las superficies es la formación de la cuña de aceite que se forma durante el movimiento ya que de ella depende el valor Nf puesto que si se logra mantener la cuña de aceite con la velocidad, no habrá contacto metálico y Ns será cero (Ns=0). La fuerza de elevación dada por la cuña es mayor para la fricción fluida que para la fricción mezclada y en general las fórmulas que explican el fenómeno consideran que las rugosidades de las superficies son uniformes tienen propiedades elastoplásticas.
N
Vel.
Lubricante
h0
a
a = Longitud de la cuña de aceite
h0 = Espesor mínimo de la cuña
2.3 FRICCIÓN DE CAPA LÍMITE O FRONTERÍZA (R < 1).
La fricción fronteriza tiene lugar cuando la capa del lubricante presenta el grueso de algunas partículas moleculares , esta capa tiene propiedades específicas que la distinguen de otros tipos de fricciones.
El coeficiente de fricción depende de la carga normal de la velocidad de desplazamiento y del factor de temperatura, así como también de las propiedades químicas del lubricante. Para diferentes lubricantes se dan diferentes relaciones entre el coeficiente de fricción y la carga normal provoca una disminución en el coeficiente de fricción.
Para obtener la capa fronteriza hay que utilizar lubricantes líquidos y grasas que tengan actividad química (no son buenos los lubricantes minerales puros porque no actúan químicamente).
Las sustancias o aditivos que mejoran la actividad química de los lubricantes se denominan unidades y afectan las moléculas del lubricante volviéndolas polares lo que resulta en una mayor adherencia. Dentro de estas sustancias tenemos las siguientes:
a) Unidades de Oxígeno. Se usan frecuentemente en grasas y el oxígeno que contienen reacciona con la superficie metálica creando la capa fronteriza
b) Unidades de Azufre. Un factor activo que mejora la resistencia de la capa de fluido es el azufre que actúa creando uniones con los metales dando como resultado muy bajos coeficientes de fricción. Los modelos de las moléculas y uniones que se crean sobre la superficie son muy complicados y hasta la fecha no han sido completamente interpretados.
c) Unidades de Cloro. Crean sobre la superficie una capa de mucha durabilidad y resistencia a la acción mecánica, sin embargo, estas unidades son muy activas y pueden provocar corrosión.
d) Unidades de Fósforo. Se manejan como fosfatos y tienen las mismas ventajas que el cloro, sin producir tanta corrosión.
e) Otras unidades. Actualmente se usan unidades compuestas como sulfuro-fósforo-nitrógeno, que presentan grandes ventajas por su bajo coeficiente de fricción y desgaste ya que mantienen una capa fronteriza resistente.
Modelos de capa fronteriza.
El conocimiento de la orientación de las partículas de aceite adheridas a la capa de la superficie lubricada dio la posibilidad de crear los modelos de la capa fronteriza, cada molécula de hidrocarburo tiene su parte polar hecha de CH y otros elementos. Las partes polares se atraen a si mismas fuertemente lo mismo que con las superficies sólidas, las moléculas no polares no presentan atracción y se desplazan fácilmente con un movimiento paralelo a las superficies en movimiento de manera similar al diagrama:
Moléculas no polares Moléculas polares
Ejemplos de moléculas polares
a ).- Tricresol fosfato
b).- Dibencil disulfuro
c).- Zinc dialkil ditiofosfato
El modelo de Marelin es el diagrama más completo acerca de los diferentes sucesos que se dan en la capa fronteriza y más allá de ella, cuando la separación entre las piezas en movimiento es relativamente grande.
2.4 FRICCIÓN SECA.
La hipótesis de fricción seca las podemos clasificar en tres grandes grupos de acuerdo a las bases de los fenómenos que se toman en cuenta:
Teorías
Fundador
Fórmula
Comentarios
Mecánicas
Amontons
Coulomb
Bouden
f = m N
f = A + m N
f = Ar mr + Ac Pc
Relaciona solo las rugosidades superficiales. m no depende del área de contacto. Teoría de la creación y rompimiento de las conexiones (corte de juntas adhesivas y deformaciones plásticas).
Molécular
Thorlinson
F = m ( N + No )
No = Po + Ar
La resistencia a la fricción depende la atracción molecular.
Mecánico Molecular
Kranielski
m = ( a Ar/ N ) + b
a depende de la rugosidad
b depende de la atracción molecular
La fricción depende tanto de la resistencia entre rugosidades como las conexiones adhesivas y atracción molecular.
Dependencia del desgaste y carga exterior con el tipo de fricción.
El tipo de fricción que se presenta entre las superficies influye principalmente en el proceso de desgaste que finalmente limita la durabilidad de los equipos, podemos analizar gráficamente de una manera simple la dependencia entre estos dos factores.
fricción
elastohidrodinámica
Area recomendada Fricción seca
fricción fricción
hidrodinámica fronteriza
Desgaste
sin desgaste desgaste desgaste y desgaste
desgaste por adhesivo abrasivo catastrófico
corrosión
2.5 DESGASTE TRIBOLÓGICO
Los procesos de desgaste por su carácter complejo no tienen una teoría unificada y solo para algunos tipos de desgaste podemos predecir su valor. Por otra parte durante el proceso de uso de las superficies se presentan varios tipos de desgaste que amplían su intensidad. Como se muestra en la figura anterior.
DESGASTE POR ADHESIÓN.
Formación de una junta adhesiva o microsoldadura
El mecanismo de desgaste por adhesión fue explicado anteriormente y lo podemos relacionar en una expresión matemática, suponiendo que la resistencia a la compresión en el estado de esfuerzos multiaxiales actuando en la zona de contacto es tres veces mayor que la resistencia uniaxial o limite de elasticidad. Además se puede decir que el material puede fluir cuando la carga normal sobrepasa el valor
W = Ar (3σu ).
Durante el contacto existe la probabilidad ( k ), de que se formen juntas o soldaduras adhesivas.
Archer supone que las partículas de desgaste son semiesféricas con un diámetro de ( d ) igual al diámetro de las soldaduras y que tiene el mismo tamaño cuando suceden n soldaduras al mismo tiempo y el área de contacto real será por lo tanto:
Ar = n( π d2 / 4 ).
Otra suposición es que todas las soldaduras quedan conectadas en el mismo camino de deslizamiento para una distancia unitaria y así el volumen total de las partículas ( Δv ), formadas al recorrer la distancia ( Δl ), seria igual :
(Δv/ Δl ) = KN π d3/12.
Si hacemos el análisis para la distribución total e incluimos la carga normal obtendremos el valor volumétrico del desgaste adhesivo.
Ls = La distribución total
Vadh = KWLs / 9σu
Podemos dividir este valor entre le area de contacto nominal ( An ) para obtener el desgaste adhesivo promedio ( dadh ).
dadh = (Vadh / An ) = KWLs / 9 σu An
para simplificar tomamos el coeficiente de adhesión ( Kadh )
Kadh = K / 9 σu
y la expresión media nominal como:
Pm= w/An
Y así tenemos el desgaste promedio como:
dadh = Kadh Pm Ls
En la practica para obtener los desgastes adhesivos se han elaborado tablas para materiales que trabajan sin lubricación con los valores de Kadh de la formula.
Los datos experimentales demuestran que este coeficiente no varia por debajo del limite elástico, pero por encima de el aumenta rápidamente.
Pareja de material
Kadh
Zinc sobre zinc
160 (10 )-3
Acero sobre acero
45 (10 )-3
Cobre sobre cobre
32 (10 )-3
Cobre sobre acero
1.5 (10 )-3
Baquelita sobre baquelita
0.02 (10 )-3
Nota: cuando Pm < σu es constante.
DESGASTE POR ABRASIÓN
El mecanismo de desgaste por abrasión es similar al desarrollo por la herramienta de corte bajo el principio de arranque de viruta. El modelo para calcular el desgaste abrasivo lo podemos analizar en la siguiente:
Ls W
Ls = recorrido
h = altura de penetración
Vabr = volumen desgastado en la abrasión
W = carga
Ach = area de contacto proyectada sobre la superficie horizontal
q = angulo de filo
con respecto a la figura podemos establecer diferentes relaciones como son:
( W’ / Ach ) = 3 σu
W’= carga nominal para una sola rugosidad
σu = limite de elasticidad
W’ = 3 σu ( πr2 )
Area transversal del corte de la ranura : Ach = r h = r2 tg θ
Volumen total desgastado en una ranura: V’abr = Ach Ls r2 tg θ
Sumando todas las rugosidades: Vabr = W Ls (tg θ)m/ 3 π σu
Donde (tg θ)m = tangente media de las rugosidades.
Esta ultima formula es muy parecida a la obtenida para el volumen adhesivo, solamente que la constante “k” , en este caso viene a ser la tangente promedio de los ángulos de las rugosidades y también se cuenta con los valores típicos de acuerdo a los diferentes acabados y los materiales mas comunes. Si substituimos la profundidad media del desgaste abrasivo obtenemos el desgaste abrasivo que será:
dabr = ( Vabr / An )= {(tg θ)m / 3 π σu)} ( w / An) Ls
dabr = Kabr Pm Ls
Kabr = constante de desgaste abrasivo
Pm = presión media
En este caso Kabr viene a ser el coeficiente de desgaste abrasivo que depende de las características de las rugosidades superficiales y del limite de elasticidad del material mas suave.
Para una aplicación practica es necesario tener los valores de K abrasivo, generalmente de manera experimental, aunque ya se cuenta con las tablas para este fin.
Para seleccionar los materiales a utilizar cuando ocurre el desgaste abrasivo es necesario conocer la dureza y el modulo de elasticidad del material; el aumente en la dureza y la disminución en el coeficiente Kabr, mejoran la resistencia al desgaste abrasivo.
Maquinados sin rectificar (SI)
Material
Condiciones
Kab / E x 10-6
Al2 O3
Duro
143
Hierro fundido
Duro
33
Carburo de tugsteno
9 % C
22
Titanio
Puro
17
Cobre
Suave
2.5
Aluminio
Puro
2
Plata
Puro
2.3
estaño
puro
0.7
DESGASTE POR OXIDACION.
El mecanismo ya se analizo anteriormente pero se puede agregar que la oxidación aparece tanto en la fricción de deslizamiento como la de rodamiento y se toma en cuenta cuando las capas de oxido son mayores que la destrucción del material por abrasión. La oxidación siempre será mas notoria en las regiones deformadas plásticas y elásticamente.
En los materiales ferrosos se forman tres capas de oxido que son :
Fe O2
Fe O3
Fe O4
Pero cuando se introducen estas reacciones químicas con los cristales deformados no existe una teoría exacta que relacione la influencia de la fricción con la oxidación en el medio ambiente.
DESGASTE POR FATIGA.
La tribología se interesa principalmente en la forma superficial del desgaste por fatiga. Este tipo de fatiga es causada por los contactos continuos o lineales entre la superficie. Las formulas empíricas para calcular la durabilidad superficial se basan en las siguientes relaciones.
N = (C / P )α
N = Numero de ciclos de vida útil.
C = Constante de acuerdo ala manufactura de la pieza.
P = Carga aplicada.
α = Exponente que depende del material.
Las formas de fatiga superficial que se manejan en la practica son el pitting (punteado ), spalling (descamación) y el fretting (tallado).
DESGASTE POR PITTING.
Aparece principalmente en la fricción por ralladura con asistencia de lubricante( capa delgada) y es un proceso causado por las cargas cíclicas sobre los mismos puntos y la acción mecánica de propagación de grietas debidas a la presión del aceite o grasa. El proceso lo podemos dividir en tres etapas :
1.-La fatiga superficial del material con inicio de microfisuras o microgrietas.
2.-La propagación de las grietas como resultado del acuñado del aceite o la grasa.
3.-La extracción por medio de lubricante de partículas metálicas que perdieron su sustentación.
Este proceso se puede observar con una lupa normal de por lo menos 20 aumentos.
DESGASTE POR SPALLING. ( Descamación )
Es el proceso que continua al pitting y a nivel microscópico sucede que se unen muchas microfisuras para arrancar un pedazo relativamente grande que regularmente es demasiado grande para poder deslizarse con el lubricante entre las superficies y es aplastado entre ellas haciendo mas intensa la propia descamación.
Escama formada en una pista de balero
DESGASTE POR FRETTING.
Este fenómeno se presenta entre dos superficies que actúan casi sin movimiento relativo pero con cargas cíclicas de contacto. Se trata de una composición de desgaste abrasivo y de oxidación en zonas donde hay concentración de esfuerzos y calentamiento lo que facilita la oxidación.
Concentración de esfuerzos
Desgaste y
calentamiento
Movimiento
La formación de óxidos duros y frágiles en la zona de esfuerzos actúan abrasivamente sobre el núcleo de la pieza conectada, aumentando paulatinamente el desgaste.
Superficie con desprendimientos debidos al freatting
III.-CARACTERISTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL
UNIDAD III.
CARACTERISTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL.
3.1 ASPEREZA SUPERFICIAL Y 3.2 ESFUERZOS RESIDUALES
Los rápidos cambios en cuanto a la precisión y complejidad de los productos mecánicos han creado la necesidad de buscar mejores métodos para determinar, designar y producir la textura de las superficies en las piezas fabricadas.
Aunque las normas se refieren a métodos específicos para medir rugosidades con instrumentos de aguja y transductores electrónicos para el control de calidad de superficies, algunas veces se requieren otras especificaciones descriptivas en cuanto a bandas de luz con interferómetros, longitudes pico a valle por seleccionado óptico, reflectancia de luz con medidores de brillo, etc.
Algunos países industrializados utilizan para sus normas los contadores de puntos altos o la amplitud promedio de las desviaciones de superficie como es el caso de Francia. En estados unidos se usa la cuenta de picos en la industria del acero en lámina, bajo la norma SAE J-911. Debe tomarse siempre en consideración el control de la textura de las superficies para garantizar la calidad del producto y conocer los esfuerzos máximos que se pueden desarrollar sobre las superficies en contacto.
Las superficies producidas por diferentes procesos exhiben diferentes texturas. Debido a esas diferencias es posible la identificación de las superficies rectificadas, pulidas, torneadas, fresadas o amoladas. Como resultado de su carácter único la textura de superficie por cualquier proceso puede compararse fácilmente con otras producidas bajo el mismo proceso verificando al tamaño y forma de sus irregularidades y empleando normas estandarizadas. Así es posible predecir y controlar el rendimiento de la pieza con bastante certeza. Esto es posible con las normas para textura de superficie.
Las variaciones de rugosidad en la textura de una superficie influyen en la capacidad para resistir desgaste y fatiga, además ayudan o impiden la lubricación efectiva. También afectan la resistencia a la corrosión y muchas otras propiedades relacionadas con su resistencia mecánica.
Clay, ha demostrado que la capacidad para soportar cargas de ejes con tratamientos de nitruración, varia de acuerdo al grado de aspereza superficial, todos los ejes trabajando a 1500 rpm en casquillos de bronce plomo, torneados con diamante y acabado de 0.5 mm de rugosidad, esta variación se muestra en la figura a) y además los efectos de valores de aspereza sobre fricción entre una deslizadera plana y un disco también se muestran en la figura b).
Figuras a) y b).
El control de la textura en la superficie debe ser una condición normal de diseño en los siguientes casos:
Para las partes cuya aspereza se debe mantener dentro de los límites controlados para un rendimiento óptimo, por ejemplo las paredes del cilindro de un motor deben tener aproximadamente rugosidades hasta de 0.32 mm y tener un arreglo circunferencia o angular.
Algunas partes como los cojinetes antifriccionantes no pueden hacerse demasiado lisos para su función debido a los costos de producción y es necesario balancear el acabado de acuerdo al uso.
Se tienen superficies que deben ser sumamente lisas por su aplicación, independientemente del costo y son los bloques calibradores, los lentes y sellos de carbón para alta presión.
En ciertos casos los procesos de acabado son los que nos dictan la textura para su lugar de uso, por ejemplo; los casquillos de acero que se hacen sobre una tolerancia para poder ser colocados en sus alojamientos ya que se colocan a presión por diferencia de temperaturas.
Finalmente se tienen piezas donde el acabado tradicional de la maquina-herramienta es suficiente para garantizar su textura de acuerdo al uso y no se necesita hacer gastos innecesarios como es el caso de orificios taladrados, roscados, cortes de cuñeros, ranuras y superficies puramente funcionales.
NORMAS PARA DESIGNACIÓN
La precisa medición de las irregularidades de una superficie es casi imposible por que las irregularidades son complejas, aunque tanto la forma como longitud de ellas pueden afectar las propiedades del material. Las normas no especifican la textura de la superficie para una aplicación particular ni los medios por lo cuales fue creada la superficie.
Las normas proveen definiciones para delinear calidades dentro de un rango de textura de la superficie utilizando los símbolos y convenciones adecuadas para la designación; la ANSI-B 461 se usa principalmente en Estados Unidos y también en las normas británicas y canadiense. Aunque utilizan términos diferentes se adaptan a la mayoría de las normas ISO internacionales (ISO R 468).
El símbolo básico para designar la textura de la superficie, es la marca de verificación horizontal indicada en la figura siguiente, donde se muestran las posiciones de los posibles datos numéricos a utilizar por medio de letras y la relación aproximada de sus dimensiones.
3X
C
A D
3X
1.5X B
E
60°
X = Tamaño de letra.
El símbolo con el triángulo en la base indica que se debe dejar un sobre espesor para maquinado, si se coloca un pequeño circulo en la base prohíbe el maquinado y por lo tanto la superficie se debe obtener sin remover material como por ejemplo: forjado, acabado en caliente o en frió, fundición a presión, moldeado por sinterizado o por inyección, etc.
De acuerdo a la figura el requerimiento de la textura de superficie puede anotarse en “A”; el sobre espesor de maquinado “B”; el grado máximo de espaciamiento de sinuosidad puede indicarse en “C”; la longitud de muestreo de aspereza (si no se indica es de 0.8 mm) en “D”; y el arreglo o rallado de la superficie en “E”, esta simbología ANSI, provee los lugares para especificar una amplia variedad de características de la superficie, por ejemplo:
El control de aspereza, las irregularidades y el espaciamiento en la textura de la superficie resultan del proceso de fabricación y es el aspecto más importante que toman estas normas porque la aspereza en general tiene un mayor efecto en el rendimiento que ninguna otra calidad de superficie.
El valor índice de altura de aspereza es un número equivalente a la desviación promedio aritmética de las pequeñas irregularidades con respecto a una superficie perfecta y se expresa en mm o min ya sea el sistema inglés o internacional.
El término corte de aspereza es una característica de los instrumentos de medición de punta trazadora y se refiere a la longitud de traza dentro de la cual se debe hallar la aspereza superficial por considerarla como rugosa. Los espaciamientos de la aspereza mayores que el corte de rugosidad se consideran como sinuosidad quiere decir que tiene espaciamientos significativamente largos y son causadas por deformaciones durante el proceso de maquinado o por vibración.
El arreglo se refiere a la dirección del patrón predominante de aspereza en la superficie. Puede indicarse utilizando los símbolos apropiados que nos muestran la dirección del arreglo y son los siguientes.
Los defectos son imperfecciones de las superficies que ocurren solo a intervalos irregulares o infrecuentes. Comúnmente son causados por la no uniformidad del material o por el daño de la superficie después del proceso, como rayas abolladuras o rupturas.
Los defectos no se consideran en la medición de la textura de la superficie ya que las normas no los clasifican. El análisis es exclusivamente asunto de criterio de acuerdo a la calidad o función que desempeñe la pieza.
MEDICIÓN DE RUGOSIDADES.
Existen diferentes instrumentos analizadores a punta trazadora llamados perfilómetros de punta, para verificar superficies y son el medio más efectivo y práctico a nivel industrial para la evaluación de las características geométricas superficiales. La sombra de escantillón óptico y los microscopios de interferencia (interferómetros), proveen los análisis de laboratorio y métodos de comparación. Las normas industriales y referencias de control generalmente manejan rugosidades arriba de las 16min.
Diagrama de un perfilómetro de puntillas.
Puntas de diamante típicas para perfilómetro.
Diagrama de un interferómetro óptico.
Podemos tener un cuadro comparativo en la siguiente tabla para fines de producción y diseño a fin de asegurar la producción apropiada según la textura deseada en la superficie.
El apropiado entendimiento de los procesos de maquinado requieren un conocimiento de varios campos como mecánica, plasticidad, fenómenos superficiales, metalurgia y transferencia de calor. Combinando estos conocimientos se han mejorado las condiciones del maquinado y el equipo.
3.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y MECÁNICOS. (SIN ARRANQUE DE VIRUTA)
3.4 CREACIÓN DE LA SUPERFICIE EXTERIOR. (POR ARRANQUE DE VIRUTA).
MECÁNICA BÁSICA PARA CORTE EN METALES.
El maquinado por arranque de viruta presenta características comunes independientemente del tipo de maquinado que se utilice para efectuar el arranque y en términos generales se manejan los siguientes valores para los filos y posición de la herramienta de corte.
El primer valor es el ángulo de inclinación ( a ) y el ángulo de alivio ( r ) que se mueve a lo largo de la superficie de la pieza a una profundidad de 1. el material delante de la herramienta se corta continuamente a lo largo del plano de corte y forma un ángulo con la superficie de la pieza de trabajo (éste ángulo es el de corte) y junto con el espesor de la viga t1 y t2, r = t1 / t2 se llama “relación de corte”.
Las investigaciones han demostrado que el plano de corte no puede ser perfectamente plano y se da en una zona angosta. Se han desarrollado fórmulas que definen el ángulo de corte en función de factores como el ángulo de inclinación y el de fricción.
Independientemente de la operación de maquinado se tienen 4 tipos básicos de virutas que son las siguientes:
a) Virutas continuas. Se forman por deformaciones continuas del material delante de la herramienta seguida de un flujo suave de la viruta sobre la cara de la herramienta. Es característica de los materiales dúctiles.
b) Virutas discontinuas. Consta de segmentos que se producen por fractura del material delante de la herramienta. se forman frecuentemente al maquinar materiales frágiles o materiales dúctiles o a baja velocidad.
c) Virutas no homogénea. Tienen regiones de deformación grande o pequeña, son característicos de los metales con baja conductividad térmica, por ejemplo: Las aleaciones de titanio.
d) virutas de borde compuesto. provienen de una masa de metal que se adhiere a la cara de la herramienta mientras que la propia viruta fluye a lo largo de la cara. Obedece principalmente a la alta fricción y temperatura con un mal acabado de la superficie.
Entre más se respeten los valores asignados para los ángulos y las velocidades de corte para diferentes materiales, mayor será el número de piezas maquinadas antes de efectuar un reafilado.
Se tienen tablas para la maquinabilidad de diferentes materiales aunque siempre son relativas, ya que dependen de las condiciones de operación.
los factores que mayormente influyen en el acabado superficial son:
El contorno de la herramienta de corte que está en contacto con la pieza de trabajo.
Los fragmentos de bordes dejado en la pieza de trabajo durante el corte.
La vibración relativa de la pieza o herramienta durante el corte.
En general se puede decir que se obtienen mejores acabados superficiales aumentando la velocidad de corte y disminuyendo la alimentación o profundidad del corte; La microestructura y la composición química del material tienen gran influencia sobre el acabado de la superficie.
La deformación plástica, los efectos térmicos y las reacciones químicas durante el arranque de viruta alteran las superficies maquinadas y pueden afectar seriamente la integridad de la superficie. Los efectos típicos pueden ser la reducción de la resistencia a la fatiga, distorsión, cambios en las propiedades esfuerzo-corrosión, rupturas y esfuerzos residuales.
A causa de las nuevas tecnologías cada vez es más importante el establecer guías para controlar la integridad superficial, este control aumenta los costos pero se logran beneficios en el uso o acabados posteriores sobre las piezas.
PROCESOS Y EQUIPOS PARA MAQUINAR.
Los tipos generales de Máquinas- Herramientas son los tornos, maquinas para tornillos, mandriladoras, taladros, fresadoras, roscadoras, escariadores, generadoras de engranes, cepillos de mesa, y limadoras, maquinadas para brochar, cortadoras, rectificadoras y pulidoras. Cada una de éstas se subdividen en muchos tipos y tamaños.
Todas la maquinas-herramientas tiene sus versiones en equipo manual y automatizado. la automatización puede comprender desde el manejo procesado, montaje, inspección y empaque o incluir solamente el proceso de arranque de viruta, los sistemas de control numérico son un método común para controlar los componentes de las maquinas y se empezaron a usar desde 1950 pero existen procesos donde resultan antieconómicos y se prefieren los de operación manual.
TORNOS.
Se considera como el miembro más antiguo de la maquinas-herramientas y fue uno de las primeras maquinas impulsadas por el motor de vapor de Watt.
El motor básico se basa en hacer girar un mandril o porta piezas, para que pueda ser rebajada la pieza por la herramienta que presenta sólo desplazamiento sobre un plano.
Sus partes principales son la bancada, en el cabezal fijo, el cabezal móvil y el juego de carros corredizos. Se tienen tornos horizontales, verticales, revolver, automáticos y copiadores como los más comunes; También varían mucho en sus capacidades que se miden en distancia entre centros y diámetros de volteo o simplemente volteo.
Los tornos tienen como operación fundamental la creación de superficies de revolución, particularmente el cilindrado, el careado o refrentado, el roscado y en algunos casos el pulido con piedra o el rechazado.
Los tornos general mente pueden usar velocidades múltiples que van desde 12 hasta 24 distintas y además se puede variar la velocidad de avance de la herramienta por medio de una caja de engranes que puede llegar a tener hasta 60 pasos diferentes.
Las formas de las herramientas tienen su propia nomenclatura y están normalizadas para prácticamente todas las maquinas-herramientas, en el caso del torno con herramienta consta de un mango y una punta que se puede obtener por diversos métodos como el esmerilado o la inserción de pastillas.
MÁQUINAS PARA TONILLOS.
Existen equipos similares a los tornos revolver que se encuentran adaptados para producir roscas, ya sean internas o externas, utilizando machuelos intercambiables o dados de torraja, incluso pueden hacer algunas operaciones de cilindrado y careado, generalmente están provistos de alimentación automática, pero la torre comúnmente se opera de forma manual.
MÁQUINAS PARA FRESAR.
Las maquinas para fresar usan cortadores de muchos dientes en contraste con el torno o cepillo que utilizan una sola punta. El fresado comúnmente es corte de cara o de periferia. el borde del corte se enfría intermitentemente ya que los cortes no son continuos.
Se pueden clasificar las fresadoras en base a su construcción, operación o propósitos. De acuerdo con su construcción pueden ser de escuadra o de columna o también horizontales o verticales. Las fresadoras pueden tener cabezales fijos o deslizantes y se usan para fresado de cara o extremo, están provistas de mesas rotatorias y/o cabezales divisores para poder manejar superficies cilíndricas.
Los cortadores para fresar se fabrican en muchas formas y tamaños de acuerdo a su aplicación, por ejemplo: Cortadores de asiento de cuña, cortadores de ranura T, cortadores de engranes y pueden ser de tipo árbol o tipo mango.
Dentro de las actividades más comunes de las fresadoras, se tiene la fabricación de engranes, catarinas, cuñas y cuñeros.
CEPILLOS DE MESA Y LIMADORAS.
Los cepillos de mesa se emplean para desbastar y acabar grandes superficies planas, aunque pueden hacerse arcos o formas especiales utilizando aditamentos. Las superficies que comúnmente se obtienen por cepillado son las guías de maquinas-herramientas, las colas de milano y cualquier superficie plana relativamente grande.
Los cepillos de mesa, se utilizan para superficies grandes y pesadas donde lo que se desplaza para el corte es únicamente la herramienta, en los cepillos de codo o limadoras, el corte lo da el brazo y el avance lo da la mesa sobre la que se coloca la pieza, en el otro caso la mesa es fija.
La herramienta en estas maquinas se fija en un cabezal que lleva un porta herramientas y va unido a una corredera lo que le da el movimiento de corte.
Las maquinas más grandes pueden tener dos o más cabezales, lo que permite cepillar diferentes superficies al mismo tiempo.
La capacidad del cepillo está marcada por el tamaño de su mesa y la altura máxima que puede desplazarse.
La velocidad de corte puede llegar hasta 126 m/min, con motores hasta de 150 hp, estas capacidades sólo se logran en los cepillos de mesa, aunque los limadores son los más populares para talleres de máquinas-herramientas.
BROCHADO.
Es un proceso en el cual se usa un cortador llamado herramienta de brochar y se utilizan para acabado interno o externo de superficies como agujeros de sección circular, cuadrada o irregular, cuñeros, dientes de engranes internos como agujeros de estrías múltiples. En el brochado la acción de herramienta misma sirve como medio de fijación. Las herramientas de brochado especiales pueden ser muy caras, sin embargo simplifican muchos procesos y ahorran tiempo, la herramienta de brochado sólo puede ser utilizada para el trabajo al que está destinada y por lo regular no son intercambiables.
La herramienta de corte es larga y está provista de muchos dientes, de tal forma que cada uno se lleva una pequeña viruta cuando la herramienta se empuja o se tira de ella a través de un agujero preparado para su paso sobre la superficie a cortar.
MÁQUINAS TALADRADORAS.
Estas maquinas sirven para barrenar agujeros, roscar con machos, avellanar o escariar en general para hacer perforaciones. existe una gran variedad de equipos como son los de mano, los de columna o verticales, los de bancada y los taladros radiales, se designan principalmente de acuerdo al diámetro del orificio más grande que pueden taladrar aunque no es aplicable a todos los casos, por ejemplo; Los radiales se designan por la longitud de su brazo.
La herramienta más usada es la broca helicoidal que se fabrica en muchos tamaños y longitudes, se designan por su medida de diámetro y se dan variaciones entre cada una de 1/64”. Cuando de se hacen por numeración o calibre, estas pueden ser de 1 a 80 que corresponden aproximadamente al calibre Stubbs para alambre a acero. pueden ser de mango recto o con mango cónico y los tamaños máximos comerciales son de 3 ½ de pulgada, se pueden conseguir mayores en fabricación especial.
Una operación adicional en los orificios es el escariado que permite afinar la superficie interna dejada por la broca o en algunos casos hacer agujeros cónicos, esta operación se puede hacer en el taladro o en máquinas similares llamadas escariadoras. La herramienta de escariar generalmente presenta estrías con filo, rectas o ligeramente inclinadas con respecto a su eje longitudinal, también hay escariadores de expansión.
MÁQUINAS RECTIFICADORAS O AMOLADORAS.
estas máquinas se agrupan en tres grandes grupos que son las de desbaste, las de acabado de superficie y las de rectificado de precisión.
Pueden ser de ejes horizontal o vertical y pueden tener alimentación automática o manual.
Las máquinas de desbaste su función es recortar el exceso de material y proveer una superficie uniforme pero rugosa. Las de acabado de superficie rectifican las rugosidades de acuerdo a ciertos granos para una gran cantidad de propósitos y trabajan sobre superficies maquinadas previamente ya sea planas o cilíndricas. Las rectificadoras de precisión siempre tienen una mesa como movimiento alternativo y los avances son automáticos , se utilizan para lograr medidas dentro de tolerancias específicas y acabados superficiales de calidad.
Los diferentes equipos utilizan ruedas de rectificación como herramientas que se especifican de acuerdo a las siguientes características:
Tipo de abrasivo. (óxido de aluminio, carburo de silicio, etc.).
Tamaño de granos. también llamado arenilla (grueso, mediano, fino y muy fino).
El grado. (suave, mediano o duro).
Estructura. (densa o abierta).
Tipo de liga. Corresponde al material utilizado para unir el abrasivo, por ejemplo, silicato, resina, laca, hule, etc.
La estructura de una rueda abrasiva es importante en dos aspectos, suministro un claro para la viruta y determinar el número de puntos de corte en la rueda. Junto con el grado nos determinan el tipo de acabado superficial que quedará en la pieza, ya que si la liga es demasiado fuerte el grano tenderá a desafilarse y si es débil será notorio el desgaste de la rueda.
Un fenómeno que ocurre es el vidriado, lo que significa de la rueda está actuando con demasiada fuerza sobre la pieza, la reducción en la velocidad de la rueda o la disminución en la profundidad de corte harán que la rueda actúen más suavemente. Las ruedas más duras se recomiendan para materiales suaves y viceversa.
La relación de rectificado se define como la razón entre el volumen de material removido, sobre el volumen desgastado de la rueda. Esta relación depende de la característica de la rueda y las velocidades de trabajo y sus recubrimientos van desde 2 hasta 200.
Las velocidades de las ruedas varían también con su aplicación y tipo de máquina, para aplicaciones normales van desde 1400 a 4800 m/min. una tendencia actual es utilizar velocidades mayores entre 3600 y 5500 m/min. ya que se ha encontrado que el proceso resulta más económico y se está tratando de eliminar el orificio central de la rueda para sustituirlo por varios orificios pequeños, lo que incrementa su resistencia.
El superacabado es un proceso de rectificación donde se utilizan piedras de grano muy fino sobre piezas previamente laminadas, se utilizan avances muy pequeños en el corte entre 0.013 y 0.025 mm con muy bajas presiones de hasta 1 lb/in2, la herramienta gira a alta velocidad y alternativamente sobre la superficie, se puede obtener rugosidades de entre 0. 025 mm a 0.015 mm, como ejemplo de esto tenemos los ejes de cigüeñal, los vástagos de válvulas y partes metálicas que funcionan en movimiento contínuo.
otra proceso de abrasión que no utiliza rueda es el soplo de arena, que consta de partículas de cuarzo, arena, glóbulos de hierro u otro material granulado que se sopla con un chorro de aire comprimido o vapor contra la superficie que se desea abrazar, las superficies que se desean conservar se pueden recubrir de un material suave como cera con plomo.
MÁQUINA DE DESCARGA ELÉCTRICA (MDE).
Se basa en el principio de la erosión de metales por descarga de chispas. La chispa es una descarga eléctrica que se da entre dos electrodos que en este caso son la herramienta y la pieza de trabajo la distancia a la que se encuentran estos elementos es crítica y por lo tanto la alimentación se controla con servomecanismos, el fluido dieléctrico también sirve para disipar el calor y arrastrar las partículas producidas por la descarga eléctrica.
La razón de remoción de metal varía entre 0.17 y 410 cm3/hr, en general las altas razones producen superficies más burdas. Los acabado superficiales pueden variar desde 0.025 mm hasta 0.0006 mm.
MAQUINADO QUÍMICO.
En este caso el material es removido por disolución química y electroquímica de superficies expuestas de la pieza de trabajo. El ataque selectivo en diferentes áreas está controlado por ocultamiento o por inmersión parcial.
Se pueden distinguir dos procesos denominados fresado químico y recortado químico.
Con el fresado se producen cavidades de poca profundidad ya sea para reducir el peso, para hacer láminas o extrusiones cónicas, el ocultamiento con pintura o cintas es común, también se pueden utilizar elastómeros o neopreno y plásticos para evitar el ataque químico.
Las aplicaciones son típicas para paneles decorativos o circuitos impresos, la diferencia con el recortado es que este desaloja porciones completas de material para hacer orificios, cortes, filetes, etc.
Las soluciones más comunes son el hidróxido de sodio para aluminio y soluciones de ácidos clorhídrico y nitrico para el acero.
MAQUINADO ULTRASONICO (MUS).
En este caso se le da a la herramienta una oscilación de alta frecuencia y baja amplitud, la cual a su vez trasmite el movimiento a fina partículas abrasivas que están presentes entre la herramienta y la pieza de trabajo, diminutas partículas de la pieza son convertidas en virutas en cada movimiento. Los granos abrasivos generalmente está formado por óxido de aluminio, carburo de boro o carburo de silicio y se aplican en solución acuosa, el agua es el agente que ayudan a arrastrar los restos.
El equipo alcanza una oscilación electrónica aproximadamente de 20,000 hz como una amplitud de incremento de 0.05 mm y la herramienta es de acero laminado o acero inoxidable.Con abrasivos finos pueden obtenerse rugosidades hasta de0.013 mm.
Este proceso se puede utilizar para taladrar agujeros, grabaciones, rebanado o brochado y es lo más adecuado para trabajar materiales muy duros o quebradizos como cerámica, carburo, piedras preciosas o aceros de alta dureza.
MAQUINAS CON HAZ DE LASER (MHL).
Se remueve el material utilizando un angosto haz de luz láser que se concentra sobre la pieza de trabajo. La intensidad de la energía del haz es capas de fundir y evaporar todos los materiales. Una aplicación típica es el barrenado de agujeros tan pequeños con 0.005 mm , el corte de titanio y materiales no metálicos como el corte de circuitos integrados.
MAQUINAS CON HAZ DE ELECTRONES (MHE).
Remueve material concentrando electrones de alta velocidad sobre la pieza de trabajo. A diferencia del láser este proceso requiere de una cámara de vacío y las altas temperaturas de trabajo son muy bajas comparadas con las de láser, se usa para hacer ranuras de barrenado en cualquier tipo de material.
CAPA SUPERFICIAL
La capa superficial de las piezas tiene propiedades físicas diferentes a las del corazón del material y la mayoría de ellas las adquiere durante el proceso de fabricación y la obtención del material en bruto.
Los principales indicadores de la capa exterior que nos permiten relacionar la pieza con el uso al que va ha ser destinado son los siguientes:
Estructura metalográfica. Se refiere a la formación y tamaño de los granos cristalinos.
Textura. Son principalmente los valores de rugosidad obtenida en el proceso de creación de la superficie.
Esfuerzos y deformaciones plásticas y elásticas.
Dureza y gradiente de dureza entre las diversas capas.
Cambios químicos. La capa exterior es la más susceptible a tener reacciones químicas con agentes externos.
Forma geométrica de la superficie.
ESFUERZOS RESIDUALES EN LA SUPERFICIE.
Para hacer el análisis de los esfuerzos residuales es muy importante considerar la forma de obtención del material de la pieza y se tiene dos modelos que se ajustan a cualquier proceso que son el modelo caliente y el modelo en frío.
Para el modelo en caliente, la forma de la pieza se obtuvo por fundición o por moldeado en caliente, por ejemplo, el laminado en caliente, el martillado en caliente, etc.
El modelo en frío se presenta cuando la pieza en bruto no fue calentado exprofesamente para modelarla, por ejemplo, el laminado en frío, el extrauído, el conformado con martillo en frío, etc.
Distribución de esfuerzos
Esf. Superficie Esf. Superficie
de la pieza de la pieza
Núcleo Núcleo
MODELO CALIENTE MODELO FRIO
La principal diferencia entre los dos modelos son las temperaturas de trabajo y la forma en que viaja el calor a través de la pieza, ya que en los moldeados en frío también se genera calor.
Cuando una pieza sufre varios procesos de fabricación los esfuerzos superficiales son sumatorios, por lo tanto, es más ventajoso el modelo en frío ya que tiende a compensar los esfuerzos producidos por las máquinas de corte o laminado y no sobrepasamos la resistencia última del material, una aplicación práctica para mejorar la resistencia de una pieza es hacer un acabado fino por rectificado con piedra.
RECUBRIMIENTOS POR DEPOSITO DE METALES.
Una práctica común para la mejora de las superficies de las piezas metálicas son los recubrimientos superficiales por depósitos de materiales.
Estos se puede arreglar de diferentes maneras y para efectos tribológicos lo importante es tener capas endurecidas con un bajo perfil de rugosidad. El espesor de la capa recubierta puede variar aproximadamente desde 300 hasta 1.5 mm, según el proceso utilizado.
Las capas endurecidas se pueden obtener por cualquiera de los siguientes procedimientos:
Tratamientos Termoquímicos. Por ejemplo la carburación o la nitruración, en estos casos elevando la temperatura de las superficies se logra una reacción química que produce una capa de material de reacción.
Procesos electrolíticos. Se conocen una gran variedad de recubrimientos que se pueden lograr por electrólisis por ejemplo: el cromado, el plateado, el niquelado, etc., aunque la mayoría de ellos no tienen valor representativo en tribología; ya que su principal función es la de prevenir la corrosión o mejorar la vista de la pieza y además son recubrimientos blandos, a excepción del cromado.
Procesos químicos y físicos. Son los tipos de recubrimientos más modernos que se emplean como técnicas tribológicas para mejorar las superficies.
Dentro de los procedimientos químicos y físicos podemos mencionar los siguientes:
Chemical vapor deposition (CVD).
En este caso se tiene que gasificar el material que va a servir de recubrimiento y se realiza dentro de algún depósito que se encuentra al vacío donde se colocan las piezas, este depósito que se encuentra a alta temperatura y los vapores reaccionan con las superficies de las piezas logrando el recubrimiento, se obtienen como resultado de la reacción gases tóxicos que deben ser filtrados, este proceso es típico para el carburo de titanio y el nitrato de titanio.
Los recubrimientos químicos sirven para aplicaciones con cargas medias por ejemplo herramientas de corte y no son buenas para impactos o temperaturas muy altas. Su resistencia a la carga dependiendo del material van desde 1000 a 2100 kg/cm2 y soporta temperaturas hasta de 1000 oC sin destruirse.
Algunos ejemplos de reacciones son las siguientes:
WF6 + 3H2 = W(sólido) + 6HF(gas)
TiCl4 + CH4 = TiC(sólido) + 4HCl(gas)
Phisical vapor deposition (PVD),
Este tipo de procedimiento para recubrir materiales se logra por el transporte hacia la superficie de átomos, moléculas o iones procedentes de una fuente gaseosa que originalmente era sólida o líquida. Presenta la ventaja sobre el CVD que el este proceso se efectúa a temperaturas más bajas, lo que redunda en el beneficio del material de la pieza ya que no sufre transformación su estructura cristalina interna.
Con este procedimiento se pueden obtener espesores de recubrimientos entre 0.08 y 3 mm y el tiempo del proceso dura de 2 a 4 horas. Los tipos de materiales que se pueden utilizar son: TiC, TiN, WC, TaC y TiCN.
El recubrimiento con TiN, es el procedimiento más adecuado para resistir al desgaste por abrasión y adherencia, en este se presenta el coeficiente más bajo de fricción, los hornos industriales (PVD) tiene una capacidad de hasta 150 kg en piezas y los recubrimientos soportan temperaturas entre 800 y 1400 oC.
Si la evaporación se logra por medio de reacciones químicas y no solo por la temperatura el proceso es conocido como de evaporación reactiva (RCD), reactive chemical deposition.
Herramientas Recubrimientos Tiempo de vida
Broca Ti N 4 – 8
Cortador / fresa Ti N 3
Machuelo Ti N 5 – 10
Fresa para engrane Ti N 2
ION IMPLANTACION.
Este otro proceso físico de recubrimiento y en este proporciona una energía de impacto de hasta 100 KW. Lo que hace que los iones penetren hasta aproximadamente 1 μm por debajo de la superficie, destruyendo la red cristalina y sustituyendo el ion disparado por un átomo de la red.
En los equipos actuales el área máxima de bombardeo es de 10 x 10 cm. y el proceso dura aproximadamente 1 hora. Se forman esfuerzos superficiales enormes (compresión) y se tiene poca información acerca de las velocidades verdaderas y los cambios físicos que presenta la superficie, pero en procesos experimentales es muy notoria la mejora en su resistencia al desgaste, la concentración normal es de 1017 iones por décima de mm2 .
Con la presión generada por los iones los átomos se desplazan hacia el interior de la pieza provocando variaciones de las propiedades a mayor profundidad que puede ser hasta de 50 μm.
SPRAY DE PLASMA (TIROLEADO)
Existen varios procedimientos para el deposito de polvo en una superficie pero en todos ellos se hace la presión parcial de polvo antes de ser arrojado en la superficie. Las capas que pueden operar bajo este procedimiento para fines tribológicos pueden ser de CiC, TaC,TiC y el espesor que se maneja esta entre 0.1 y 0.2 mm., este procedimiento es en caliente y se puede obtener una dureza Vickers hasta de 1000.
CARACTERISTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL.
3.1 ASPEREZA SUPERFICIAL Y 3.2 ESFUERZOS RESIDUALES
Los rápidos cambios en cuanto a la precisión y complejidad de los productos mecánicos han creado la necesidad de buscar mejores métodos para determinar, designar y producir la textura de las superficies en las piezas fabricadas.
Aunque las normas se refieren a métodos específicos para medir rugosidades con instrumentos de aguja y transductores electrónicos para el control de calidad de superficies, algunas veces se requieren otras especificaciones descriptivas en cuanto a bandas de luz con interferómetros, longitudes pico a valle por seleccionado óptico, reflectancia de luz con medidores de brillo, etc.
Algunos países industrializados utilizan para sus normas los contadores de puntos altos o la amplitud promedio de las desviaciones de superficie como es el caso de Francia. En estados unidos se usa la cuenta de picos en la industria del acero en lámina, bajo la norma SAE J-911. Debe tomarse siempre en consideración el control de la textura de las superficies para garantizar la calidad del producto y conocer los esfuerzos máximos que se pueden desarrollar sobre las superficies en contacto.
Las superficies producidas por diferentes procesos exhiben diferentes texturas. Debido a esas diferencias es posible la identificación de las superficies rectificadas, pulidas, torneadas, fresadas o amoladas. Como resultado de su carácter único la textura de superficie por cualquier proceso puede compararse fácilmente con otras producidas bajo el mismo proceso verificando al tamaño y forma de sus irregularidades y empleando normas estandarizadas. Así es posible predecir y controlar el rendimiento de la pieza con bastante certeza. Esto es posible con las normas para textura de superficie.
Las variaciones de rugosidad en la textura de una superficie influyen en la capacidad para resistir desgaste y fatiga, además ayudan o impiden la lubricación efectiva. También afectan la resistencia a la corrosión y muchas otras propiedades relacionadas con su resistencia mecánica.
Clay, ha demostrado que la capacidad para soportar cargas de ejes con tratamientos de nitruración, varia de acuerdo al grado de aspereza superficial, todos los ejes trabajando a 1500 rpm en casquillos de bronce plomo, torneados con diamante y acabado de 0.5 mm de rugosidad, esta variación se muestra en la figura a) y además los efectos de valores de aspereza sobre fricción entre una deslizadera plana y un disco también se muestran en la figura b).
Figuras a) y b).
El control de la textura en la superficie debe ser una condición normal de diseño en los siguientes casos:
Para las partes cuya aspereza se debe mantener dentro de los límites controlados para un rendimiento óptimo, por ejemplo las paredes del cilindro de un motor deben tener aproximadamente rugosidades hasta de 0.32 mm y tener un arreglo circunferencia o angular.
Algunas partes como los cojinetes antifriccionantes no pueden hacerse demasiado lisos para su función debido a los costos de producción y es necesario balancear el acabado de acuerdo al uso.
Se tienen superficies que deben ser sumamente lisas por su aplicación, independientemente del costo y son los bloques calibradores, los lentes y sellos de carbón para alta presión.
En ciertos casos los procesos de acabado son los que nos dictan la textura para su lugar de uso, por ejemplo; los casquillos de acero que se hacen sobre una tolerancia para poder ser colocados en sus alojamientos ya que se colocan a presión por diferencia de temperaturas.
Finalmente se tienen piezas donde el acabado tradicional de la maquina-herramienta es suficiente para garantizar su textura de acuerdo al uso y no se necesita hacer gastos innecesarios como es el caso de orificios taladrados, roscados, cortes de cuñeros, ranuras y superficies puramente funcionales.
NORMAS PARA DESIGNACIÓN
La precisa medición de las irregularidades de una superficie es casi imposible por que las irregularidades son complejas, aunque tanto la forma como longitud de ellas pueden afectar las propiedades del material. Las normas no especifican la textura de la superficie para una aplicación particular ni los medios por lo cuales fue creada la superficie.
Las normas proveen definiciones para delinear calidades dentro de un rango de textura de la superficie utilizando los símbolos y convenciones adecuadas para la designación; la ANSI-B 461 se usa principalmente en Estados Unidos y también en las normas británicas y canadiense. Aunque utilizan términos diferentes se adaptan a la mayoría de las normas ISO internacionales (ISO R 468).
El símbolo básico para designar la textura de la superficie, es la marca de verificación horizontal indicada en la figura siguiente, donde se muestran las posiciones de los posibles datos numéricos a utilizar por medio de letras y la relación aproximada de sus dimensiones.
3X
C
A D
3X
1.5X B
E
60°
X = Tamaño de letra.
El símbolo con el triángulo en la base indica que se debe dejar un sobre espesor para maquinado, si se coloca un pequeño circulo en la base prohíbe el maquinado y por lo tanto la superficie se debe obtener sin remover material como por ejemplo: forjado, acabado en caliente o en frió, fundición a presión, moldeado por sinterizado o por inyección, etc.
De acuerdo a la figura el requerimiento de la textura de superficie puede anotarse en “A”; el sobre espesor de maquinado “B”; el grado máximo de espaciamiento de sinuosidad puede indicarse en “C”; la longitud de muestreo de aspereza (si no se indica es de 0.8 mm) en “D”; y el arreglo o rallado de la superficie en “E”, esta simbología ANSI, provee los lugares para especificar una amplia variedad de características de la superficie, por ejemplo:
El control de aspereza, las irregularidades y el espaciamiento en la textura de la superficie resultan del proceso de fabricación y es el aspecto más importante que toman estas normas porque la aspereza en general tiene un mayor efecto en el rendimiento que ninguna otra calidad de superficie.
El valor índice de altura de aspereza es un número equivalente a la desviación promedio aritmética de las pequeñas irregularidades con respecto a una superficie perfecta y se expresa en mm o min ya sea el sistema inglés o internacional.
El término corte de aspereza es una característica de los instrumentos de medición de punta trazadora y se refiere a la longitud de traza dentro de la cual se debe hallar la aspereza superficial por considerarla como rugosa. Los espaciamientos de la aspereza mayores que el corte de rugosidad se consideran como sinuosidad quiere decir que tiene espaciamientos significativamente largos y son causadas por deformaciones durante el proceso de maquinado o por vibración.
El arreglo se refiere a la dirección del patrón predominante de aspereza en la superficie. Puede indicarse utilizando los símbolos apropiados que nos muestran la dirección del arreglo y son los siguientes.
Los defectos son imperfecciones de las superficies que ocurren solo a intervalos irregulares o infrecuentes. Comúnmente son causados por la no uniformidad del material o por el daño de la superficie después del proceso, como rayas abolladuras o rupturas.
Los defectos no se consideran en la medición de la textura de la superficie ya que las normas no los clasifican. El análisis es exclusivamente asunto de criterio de acuerdo a la calidad o función que desempeñe la pieza.
MEDICIÓN DE RUGOSIDADES.
Existen diferentes instrumentos analizadores a punta trazadora llamados perfilómetros de punta, para verificar superficies y son el medio más efectivo y práctico a nivel industrial para la evaluación de las características geométricas superficiales. La sombra de escantillón óptico y los microscopios de interferencia (interferómetros), proveen los análisis de laboratorio y métodos de comparación. Las normas industriales y referencias de control generalmente manejan rugosidades arriba de las 16min.
Diagrama de un perfilómetro de puntillas.
Puntas de diamante típicas para perfilómetro.
Diagrama de un interferómetro óptico.
Podemos tener un cuadro comparativo en la siguiente tabla para fines de producción y diseño a fin de asegurar la producción apropiada según la textura deseada en la superficie.
El apropiado entendimiento de los procesos de maquinado requieren un conocimiento de varios campos como mecánica, plasticidad, fenómenos superficiales, metalurgia y transferencia de calor. Combinando estos conocimientos se han mejorado las condiciones del maquinado y el equipo.
3.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y MECÁNICOS. (SIN ARRANQUE DE VIRUTA)
3.4 CREACIÓN DE LA SUPERFICIE EXTERIOR. (POR ARRANQUE DE VIRUTA).
MECÁNICA BÁSICA PARA CORTE EN METALES.
El maquinado por arranque de viruta presenta características comunes independientemente del tipo de maquinado que se utilice para efectuar el arranque y en términos generales se manejan los siguientes valores para los filos y posición de la herramienta de corte.
El primer valor es el ángulo de inclinación ( a ) y el ángulo de alivio ( r ) que se mueve a lo largo de la superficie de la pieza a una profundidad de 1. el material delante de la herramienta se corta continuamente a lo largo del plano de corte y forma un ángulo con la superficie de la pieza de trabajo (éste ángulo es el de corte) y junto con el espesor de la viga t1 y t2, r = t1 / t2 se llama “relación de corte”.
Las investigaciones han demostrado que el plano de corte no puede ser perfectamente plano y se da en una zona angosta. Se han desarrollado fórmulas que definen el ángulo de corte en función de factores como el ángulo de inclinación y el de fricción.
Independientemente de la operación de maquinado se tienen 4 tipos básicos de virutas que son las siguientes:
a) Virutas continuas. Se forman por deformaciones continuas del material delante de la herramienta seguida de un flujo suave de la viruta sobre la cara de la herramienta. Es característica de los materiales dúctiles.
b) Virutas discontinuas. Consta de segmentos que se producen por fractura del material delante de la herramienta. se forman frecuentemente al maquinar materiales frágiles o materiales dúctiles o a baja velocidad.
c) Virutas no homogénea. Tienen regiones de deformación grande o pequeña, son característicos de los metales con baja conductividad térmica, por ejemplo: Las aleaciones de titanio.
d) virutas de borde compuesto. provienen de una masa de metal que se adhiere a la cara de la herramienta mientras que la propia viruta fluye a lo largo de la cara. Obedece principalmente a la alta fricción y temperatura con un mal acabado de la superficie.
Entre más se respeten los valores asignados para los ángulos y las velocidades de corte para diferentes materiales, mayor será el número de piezas maquinadas antes de efectuar un reafilado.
Se tienen tablas para la maquinabilidad de diferentes materiales aunque siempre son relativas, ya que dependen de las condiciones de operación.
los factores que mayormente influyen en el acabado superficial son:
El contorno de la herramienta de corte que está en contacto con la pieza de trabajo.
Los fragmentos de bordes dejado en la pieza de trabajo durante el corte.
La vibración relativa de la pieza o herramienta durante el corte.
En general se puede decir que se obtienen mejores acabados superficiales aumentando la velocidad de corte y disminuyendo la alimentación o profundidad del corte; La microestructura y la composición química del material tienen gran influencia sobre el acabado de la superficie.
La deformación plástica, los efectos térmicos y las reacciones químicas durante el arranque de viruta alteran las superficies maquinadas y pueden afectar seriamente la integridad de la superficie. Los efectos típicos pueden ser la reducción de la resistencia a la fatiga, distorsión, cambios en las propiedades esfuerzo-corrosión, rupturas y esfuerzos residuales.
A causa de las nuevas tecnologías cada vez es más importante el establecer guías para controlar la integridad superficial, este control aumenta los costos pero se logran beneficios en el uso o acabados posteriores sobre las piezas.
PROCESOS Y EQUIPOS PARA MAQUINAR.
Los tipos generales de Máquinas- Herramientas son los tornos, maquinas para tornillos, mandriladoras, taladros, fresadoras, roscadoras, escariadores, generadoras de engranes, cepillos de mesa, y limadoras, maquinadas para brochar, cortadoras, rectificadoras y pulidoras. Cada una de éstas se subdividen en muchos tipos y tamaños.
Todas la maquinas-herramientas tiene sus versiones en equipo manual y automatizado. la automatización puede comprender desde el manejo procesado, montaje, inspección y empaque o incluir solamente el proceso de arranque de viruta, los sistemas de control numérico son un método común para controlar los componentes de las maquinas y se empezaron a usar desde 1950 pero existen procesos donde resultan antieconómicos y se prefieren los de operación manual.
TORNOS.
Se considera como el miembro más antiguo de la maquinas-herramientas y fue uno de las primeras maquinas impulsadas por el motor de vapor de Watt.
El motor básico se basa en hacer girar un mandril o porta piezas, para que pueda ser rebajada la pieza por la herramienta que presenta sólo desplazamiento sobre un plano.
Sus partes principales son la bancada, en el cabezal fijo, el cabezal móvil y el juego de carros corredizos. Se tienen tornos horizontales, verticales, revolver, automáticos y copiadores como los más comunes; También varían mucho en sus capacidades que se miden en distancia entre centros y diámetros de volteo o simplemente volteo.
Los tornos tienen como operación fundamental la creación de superficies de revolución, particularmente el cilindrado, el careado o refrentado, el roscado y en algunos casos el pulido con piedra o el rechazado.
Los tornos general mente pueden usar velocidades múltiples que van desde 12 hasta 24 distintas y además se puede variar la velocidad de avance de la herramienta por medio de una caja de engranes que puede llegar a tener hasta 60 pasos diferentes.
Las formas de las herramientas tienen su propia nomenclatura y están normalizadas para prácticamente todas las maquinas-herramientas, en el caso del torno con herramienta consta de un mango y una punta que se puede obtener por diversos métodos como el esmerilado o la inserción de pastillas.
MÁQUINAS PARA TONILLOS.
Existen equipos similares a los tornos revolver que se encuentran adaptados para producir roscas, ya sean internas o externas, utilizando machuelos intercambiables o dados de torraja, incluso pueden hacer algunas operaciones de cilindrado y careado, generalmente están provistos de alimentación automática, pero la torre comúnmente se opera de forma manual.
MÁQUINAS PARA FRESAR.
Las maquinas para fresar usan cortadores de muchos dientes en contraste con el torno o cepillo que utilizan una sola punta. El fresado comúnmente es corte de cara o de periferia. el borde del corte se enfría intermitentemente ya que los cortes no son continuos.
Se pueden clasificar las fresadoras en base a su construcción, operación o propósitos. De acuerdo con su construcción pueden ser de escuadra o de columna o también horizontales o verticales. Las fresadoras pueden tener cabezales fijos o deslizantes y se usan para fresado de cara o extremo, están provistas de mesas rotatorias y/o cabezales divisores para poder manejar superficies cilíndricas.
Los cortadores para fresar se fabrican en muchas formas y tamaños de acuerdo a su aplicación, por ejemplo: Cortadores de asiento de cuña, cortadores de ranura T, cortadores de engranes y pueden ser de tipo árbol o tipo mango.
Dentro de las actividades más comunes de las fresadoras, se tiene la fabricación de engranes, catarinas, cuñas y cuñeros.
CEPILLOS DE MESA Y LIMADORAS.
Los cepillos de mesa se emplean para desbastar y acabar grandes superficies planas, aunque pueden hacerse arcos o formas especiales utilizando aditamentos. Las superficies que comúnmente se obtienen por cepillado son las guías de maquinas-herramientas, las colas de milano y cualquier superficie plana relativamente grande.
Los cepillos de mesa, se utilizan para superficies grandes y pesadas donde lo que se desplaza para el corte es únicamente la herramienta, en los cepillos de codo o limadoras, el corte lo da el brazo y el avance lo da la mesa sobre la que se coloca la pieza, en el otro caso la mesa es fija.
La herramienta en estas maquinas se fija en un cabezal que lleva un porta herramientas y va unido a una corredera lo que le da el movimiento de corte.
Las maquinas más grandes pueden tener dos o más cabezales, lo que permite cepillar diferentes superficies al mismo tiempo.
La capacidad del cepillo está marcada por el tamaño de su mesa y la altura máxima que puede desplazarse.
La velocidad de corte puede llegar hasta 126 m/min, con motores hasta de 150 hp, estas capacidades sólo se logran en los cepillos de mesa, aunque los limadores son los más populares para talleres de máquinas-herramientas.
BROCHADO.
Es un proceso en el cual se usa un cortador llamado herramienta de brochar y se utilizan para acabado interno o externo de superficies como agujeros de sección circular, cuadrada o irregular, cuñeros, dientes de engranes internos como agujeros de estrías múltiples. En el brochado la acción de herramienta misma sirve como medio de fijación. Las herramientas de brochado especiales pueden ser muy caras, sin embargo simplifican muchos procesos y ahorran tiempo, la herramienta de brochado sólo puede ser utilizada para el trabajo al que está destinada y por lo regular no son intercambiables.
La herramienta de corte es larga y está provista de muchos dientes, de tal forma que cada uno se lleva una pequeña viruta cuando la herramienta se empuja o se tira de ella a través de un agujero preparado para su paso sobre la superficie a cortar.
MÁQUINAS TALADRADORAS.
Estas maquinas sirven para barrenar agujeros, roscar con machos, avellanar o escariar en general para hacer perforaciones. existe una gran variedad de equipos como son los de mano, los de columna o verticales, los de bancada y los taladros radiales, se designan principalmente de acuerdo al diámetro del orificio más grande que pueden taladrar aunque no es aplicable a todos los casos, por ejemplo; Los radiales se designan por la longitud de su brazo.
La herramienta más usada es la broca helicoidal que se fabrica en muchos tamaños y longitudes, se designan por su medida de diámetro y se dan variaciones entre cada una de 1/64”. Cuando de se hacen por numeración o calibre, estas pueden ser de 1 a 80 que corresponden aproximadamente al calibre Stubbs para alambre a acero. pueden ser de mango recto o con mango cónico y los tamaños máximos comerciales son de 3 ½ de pulgada, se pueden conseguir mayores en fabricación especial.
Una operación adicional en los orificios es el escariado que permite afinar la superficie interna dejada por la broca o en algunos casos hacer agujeros cónicos, esta operación se puede hacer en el taladro o en máquinas similares llamadas escariadoras. La herramienta de escariar generalmente presenta estrías con filo, rectas o ligeramente inclinadas con respecto a su eje longitudinal, también hay escariadores de expansión.
MÁQUINAS RECTIFICADORAS O AMOLADORAS.
estas máquinas se agrupan en tres grandes grupos que son las de desbaste, las de acabado de superficie y las de rectificado de precisión.
Pueden ser de ejes horizontal o vertical y pueden tener alimentación automática o manual.
Las máquinas de desbaste su función es recortar el exceso de material y proveer una superficie uniforme pero rugosa. Las de acabado de superficie rectifican las rugosidades de acuerdo a ciertos granos para una gran cantidad de propósitos y trabajan sobre superficies maquinadas previamente ya sea planas o cilíndricas. Las rectificadoras de precisión siempre tienen una mesa como movimiento alternativo y los avances son automáticos , se utilizan para lograr medidas dentro de tolerancias específicas y acabados superficiales de calidad.
Los diferentes equipos utilizan ruedas de rectificación como herramientas que se especifican de acuerdo a las siguientes características:
Tipo de abrasivo. (óxido de aluminio, carburo de silicio, etc.).
Tamaño de granos. también llamado arenilla (grueso, mediano, fino y muy fino).
El grado. (suave, mediano o duro).
Estructura. (densa o abierta).
Tipo de liga. Corresponde al material utilizado para unir el abrasivo, por ejemplo, silicato, resina, laca, hule, etc.
La estructura de una rueda abrasiva es importante en dos aspectos, suministro un claro para la viruta y determinar el número de puntos de corte en la rueda. Junto con el grado nos determinan el tipo de acabado superficial que quedará en la pieza, ya que si la liga es demasiado fuerte el grano tenderá a desafilarse y si es débil será notorio el desgaste de la rueda.
Un fenómeno que ocurre es el vidriado, lo que significa de la rueda está actuando con demasiada fuerza sobre la pieza, la reducción en la velocidad de la rueda o la disminución en la profundidad de corte harán que la rueda actúen más suavemente. Las ruedas más duras se recomiendan para materiales suaves y viceversa.
La relación de rectificado se define como la razón entre el volumen de material removido, sobre el volumen desgastado de la rueda. Esta relación depende de la característica de la rueda y las velocidades de trabajo y sus recubrimientos van desde 2 hasta 200.
Las velocidades de las ruedas varían también con su aplicación y tipo de máquina, para aplicaciones normales van desde 1400 a 4800 m/min. una tendencia actual es utilizar velocidades mayores entre 3600 y 5500 m/min. ya que se ha encontrado que el proceso resulta más económico y se está tratando de eliminar el orificio central de la rueda para sustituirlo por varios orificios pequeños, lo que incrementa su resistencia.
El superacabado es un proceso de rectificación donde se utilizan piedras de grano muy fino sobre piezas previamente laminadas, se utilizan avances muy pequeños en el corte entre 0.013 y 0.025 mm con muy bajas presiones de hasta 1 lb/in2, la herramienta gira a alta velocidad y alternativamente sobre la superficie, se puede obtener rugosidades de entre 0. 025 mm a 0.015 mm, como ejemplo de esto tenemos los ejes de cigüeñal, los vástagos de válvulas y partes metálicas que funcionan en movimiento contínuo.
otra proceso de abrasión que no utiliza rueda es el soplo de arena, que consta de partículas de cuarzo, arena, glóbulos de hierro u otro material granulado que se sopla con un chorro de aire comprimido o vapor contra la superficie que se desea abrazar, las superficies que se desean conservar se pueden recubrir de un material suave como cera con plomo.
MÁQUINA DE DESCARGA ELÉCTRICA (MDE).
Se basa en el principio de la erosión de metales por descarga de chispas. La chispa es una descarga eléctrica que se da entre dos electrodos que en este caso son la herramienta y la pieza de trabajo la distancia a la que se encuentran estos elementos es crítica y por lo tanto la alimentación se controla con servomecanismos, el fluido dieléctrico también sirve para disipar el calor y arrastrar las partículas producidas por la descarga eléctrica.
La razón de remoción de metal varía entre 0.17 y 410 cm3/hr, en general las altas razones producen superficies más burdas. Los acabado superficiales pueden variar desde 0.025 mm hasta 0.0006 mm.
MAQUINADO QUÍMICO.
En este caso el material es removido por disolución química y electroquímica de superficies expuestas de la pieza de trabajo. El ataque selectivo en diferentes áreas está controlado por ocultamiento o por inmersión parcial.
Se pueden distinguir dos procesos denominados fresado químico y recortado químico.
Con el fresado se producen cavidades de poca profundidad ya sea para reducir el peso, para hacer láminas o extrusiones cónicas, el ocultamiento con pintura o cintas es común, también se pueden utilizar elastómeros o neopreno y plásticos para evitar el ataque químico.
Las aplicaciones son típicas para paneles decorativos o circuitos impresos, la diferencia con el recortado es que este desaloja porciones completas de material para hacer orificios, cortes, filetes, etc.
Las soluciones más comunes son el hidróxido de sodio para aluminio y soluciones de ácidos clorhídrico y nitrico para el acero.
MAQUINADO ULTRASONICO (MUS).
En este caso se le da a la herramienta una oscilación de alta frecuencia y baja amplitud, la cual a su vez trasmite el movimiento a fina partículas abrasivas que están presentes entre la herramienta y la pieza de trabajo, diminutas partículas de la pieza son convertidas en virutas en cada movimiento. Los granos abrasivos generalmente está formado por óxido de aluminio, carburo de boro o carburo de silicio y se aplican en solución acuosa, el agua es el agente que ayudan a arrastrar los restos.
El equipo alcanza una oscilación electrónica aproximadamente de 20,000 hz como una amplitud de incremento de 0.05 mm y la herramienta es de acero laminado o acero inoxidable.Con abrasivos finos pueden obtenerse rugosidades hasta de0.013 mm.
Este proceso se puede utilizar para taladrar agujeros, grabaciones, rebanado o brochado y es lo más adecuado para trabajar materiales muy duros o quebradizos como cerámica, carburo, piedras preciosas o aceros de alta dureza.
MAQUINAS CON HAZ DE LASER (MHL).
Se remueve el material utilizando un angosto haz de luz láser que se concentra sobre la pieza de trabajo. La intensidad de la energía del haz es capas de fundir y evaporar todos los materiales. Una aplicación típica es el barrenado de agujeros tan pequeños con 0.005 mm , el corte de titanio y materiales no metálicos como el corte de circuitos integrados.
MAQUINAS CON HAZ DE ELECTRONES (MHE).
Remueve material concentrando electrones de alta velocidad sobre la pieza de trabajo. A diferencia del láser este proceso requiere de una cámara de vacío y las altas temperaturas de trabajo son muy bajas comparadas con las de láser, se usa para hacer ranuras de barrenado en cualquier tipo de material.
CAPA SUPERFICIAL
La capa superficial de las piezas tiene propiedades físicas diferentes a las del corazón del material y la mayoría de ellas las adquiere durante el proceso de fabricación y la obtención del material en bruto.
Los principales indicadores de la capa exterior que nos permiten relacionar la pieza con el uso al que va ha ser destinado son los siguientes:
Estructura metalográfica. Se refiere a la formación y tamaño de los granos cristalinos.
Textura. Son principalmente los valores de rugosidad obtenida en el proceso de creación de la superficie.
Esfuerzos y deformaciones plásticas y elásticas.
Dureza y gradiente de dureza entre las diversas capas.
Cambios químicos. La capa exterior es la más susceptible a tener reacciones químicas con agentes externos.
Forma geométrica de la superficie.
ESFUERZOS RESIDUALES EN LA SUPERFICIE.
Para hacer el análisis de los esfuerzos residuales es muy importante considerar la forma de obtención del material de la pieza y se tiene dos modelos que se ajustan a cualquier proceso que son el modelo caliente y el modelo en frío.
Para el modelo en caliente, la forma de la pieza se obtuvo por fundición o por moldeado en caliente, por ejemplo, el laminado en caliente, el martillado en caliente, etc.
El modelo en frío se presenta cuando la pieza en bruto no fue calentado exprofesamente para modelarla, por ejemplo, el laminado en frío, el extrauído, el conformado con martillo en frío, etc.
Distribución de esfuerzos
Esf. Superficie Esf. Superficie
de la pieza de la pieza
Núcleo Núcleo
MODELO CALIENTE MODELO FRIO
La principal diferencia entre los dos modelos son las temperaturas de trabajo y la forma en que viaja el calor a través de la pieza, ya que en los moldeados en frío también se genera calor.
Cuando una pieza sufre varios procesos de fabricación los esfuerzos superficiales son sumatorios, por lo tanto, es más ventajoso el modelo en frío ya que tiende a compensar los esfuerzos producidos por las máquinas de corte o laminado y no sobrepasamos la resistencia última del material, una aplicación práctica para mejorar la resistencia de una pieza es hacer un acabado fino por rectificado con piedra.
RECUBRIMIENTOS POR DEPOSITO DE METALES.
Una práctica común para la mejora de las superficies de las piezas metálicas son los recubrimientos superficiales por depósitos de materiales.
Estos se puede arreglar de diferentes maneras y para efectos tribológicos lo importante es tener capas endurecidas con un bajo perfil de rugosidad. El espesor de la capa recubierta puede variar aproximadamente desde 300 hasta 1.5 mm, según el proceso utilizado.
Las capas endurecidas se pueden obtener por cualquiera de los siguientes procedimientos:
Tratamientos Termoquímicos. Por ejemplo la carburación o la nitruración, en estos casos elevando la temperatura de las superficies se logra una reacción química que produce una capa de material de reacción.
Procesos electrolíticos. Se conocen una gran variedad de recubrimientos que se pueden lograr por electrólisis por ejemplo: el cromado, el plateado, el niquelado, etc., aunque la mayoría de ellos no tienen valor representativo en tribología; ya que su principal función es la de prevenir la corrosión o mejorar la vista de la pieza y además son recubrimientos blandos, a excepción del cromado.
Procesos químicos y físicos. Son los tipos de recubrimientos más modernos que se emplean como técnicas tribológicas para mejorar las superficies.
Dentro de los procedimientos químicos y físicos podemos mencionar los siguientes:
Chemical vapor deposition (CVD).
En este caso se tiene que gasificar el material que va a servir de recubrimiento y se realiza dentro de algún depósito que se encuentra al vacío donde se colocan las piezas, este depósito que se encuentra a alta temperatura y los vapores reaccionan con las superficies de las piezas logrando el recubrimiento, se obtienen como resultado de la reacción gases tóxicos que deben ser filtrados, este proceso es típico para el carburo de titanio y el nitrato de titanio.
Los recubrimientos químicos sirven para aplicaciones con cargas medias por ejemplo herramientas de corte y no son buenas para impactos o temperaturas muy altas. Su resistencia a la carga dependiendo del material van desde 1000 a 2100 kg/cm2 y soporta temperaturas hasta de 1000 oC sin destruirse.
Algunos ejemplos de reacciones son las siguientes:
WF6 + 3H2 = W(sólido) + 6HF(gas)
TiCl4 + CH4 = TiC(sólido) + 4HCl(gas)
Phisical vapor deposition (PVD),
Este tipo de procedimiento para recubrir materiales se logra por el transporte hacia la superficie de átomos, moléculas o iones procedentes de una fuente gaseosa que originalmente era sólida o líquida. Presenta la ventaja sobre el CVD que el este proceso se efectúa a temperaturas más bajas, lo que redunda en el beneficio del material de la pieza ya que no sufre transformación su estructura cristalina interna.
Con este procedimiento se pueden obtener espesores de recubrimientos entre 0.08 y 3 mm y el tiempo del proceso dura de 2 a 4 horas. Los tipos de materiales que se pueden utilizar son: TiC, TiN, WC, TaC y TiCN.
El recubrimiento con TiN, es el procedimiento más adecuado para resistir al desgaste por abrasión y adherencia, en este se presenta el coeficiente más bajo de fricción, los hornos industriales (PVD) tiene una capacidad de hasta 150 kg en piezas y los recubrimientos soportan temperaturas entre 800 y 1400 oC.
Si la evaporación se logra por medio de reacciones químicas y no solo por la temperatura el proceso es conocido como de evaporación reactiva (RCD), reactive chemical deposition.
Herramientas Recubrimientos Tiempo de vida
Broca Ti N 4 – 8
Cortador / fresa Ti N 3
Machuelo Ti N 5 – 10
Fresa para engrane Ti N 2
ION IMPLANTACION.
Este otro proceso físico de recubrimiento y en este proporciona una energía de impacto de hasta 100 KW. Lo que hace que los iones penetren hasta aproximadamente 1 μm por debajo de la superficie, destruyendo la red cristalina y sustituyendo el ion disparado por un átomo de la red.
En los equipos actuales el área máxima de bombardeo es de 10 x 10 cm. y el proceso dura aproximadamente 1 hora. Se forman esfuerzos superficiales enormes (compresión) y se tiene poca información acerca de las velocidades verdaderas y los cambios físicos que presenta la superficie, pero en procesos experimentales es muy notoria la mejora en su resistencia al desgaste, la concentración normal es de 1017 iones por décima de mm2 .
Con la presión generada por los iones los átomos se desplazan hacia el interior de la pieza provocando variaciones de las propiedades a mayor profundidad que puede ser hasta de 50 μm.
SPRAY DE PLASMA (TIROLEADO)
Existen varios procedimientos para el deposito de polvo en una superficie pero en todos ellos se hace la presión parcial de polvo antes de ser arrojado en la superficie. Las capas que pueden operar bajo este procedimiento para fines tribológicos pueden ser de CiC, TaC,TiC y el espesor que se maneja esta entre 0.1 y 0.2 mm., este procedimiento es en caliente y se puede obtener una dureza Vickers hasta de 1000.
IV.-TRIBOLOGIA PRACTICA
UNIDAD IV. TRIBOLOGIA PRACTICA.
4.1. EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS PARA MEDIR Y EVALUAR EL DESGASTE POR FRICCIÓN.
La selección de una maquina para la realización de investigaciones tribologicas depende de las siguientes condiciones :
a) Cinemática del movimiento de los elementos que intervienen en la maquinaria.
b) Dinámica de las cargas en el par de fricción.
c) Geometría del contacto entre superficie de los elementos que intervienen.
d) Tipo de fricción considerando el método de lubricación y refrigeración.
e) Dimensiones de los elementos de la maquinaria.
Hasta la fecha no existen normas generalizadas internacionales para la medición de fricción y desgaste, como tampoco las hay para determinar la forma y dimensiones de las probetas y contraprobetas durante las investigaciones tribologicas y sobre todo no hay normas acerca de los métodos y maquinas de prueba.
Algunos países han introducido normas internas y con base a ellas se han elaborado maquinas para las investigaciones tribologicas. Por ejemplo, en Checoslovaquia la metodología se basa en el sistema Skoda-Savine y en Suiza el método de Amsler.
EQUIPO DE PRUEBA SKODA-SAVINE.
4.1. EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS PARA MEDIR Y EVALUAR EL DESGASTE POR FRICCIÓN.
La selección de una maquina para la realización de investigaciones tribologicas depende de las siguientes condiciones :
a) Cinemática del movimiento de los elementos que intervienen en la maquinaria.
b) Dinámica de las cargas en el par de fricción.
c) Geometría del contacto entre superficie de los elementos que intervienen.
d) Tipo de fricción considerando el método de lubricación y refrigeración.
e) Dimensiones de los elementos de la maquinaria.
Hasta la fecha no existen normas generalizadas internacionales para la medición de fricción y desgaste, como tampoco las hay para determinar la forma y dimensiones de las probetas y contraprobetas durante las investigaciones tribologicas y sobre todo no hay normas acerca de los métodos y maquinas de prueba.
Algunos países han introducido normas internas y con base a ellas se han elaborado maquinas para las investigaciones tribologicas. Por ejemplo, en Checoslovaquia la metodología se basa en el sistema Skoda-Savine y en Suiza el método de Amsler.
EQUIPO DE PRUEBA SKODA-SAVINE.
FORMA DE PROBETAS EN EQUIPO AMSLER.
1.- CONTRA-PIEZA.
2.- PIEZA
Todas las maquinas de prueba tienen sus ventajas y desventajas y hasta la fecha muestran poca aplicación, los centros de investigación en fenómenos tribológicos construyen sus propios equipos ya sea para fricción seca o lubricada con sus propios medios físicos.
Otro criterio para clasificar las maquinas de investigación toma en cuenta la finalidad del estudio y las condiciones en que trabajan los pares friccionantes.
Los métodos mas comunes utilizados para pruebas tribológicas incluyen alguno de los siguientes sistemas de pieza y contra-pieza para el par friccionante.
En la figura A se muestra un arreglo simétrico de anillo sobre anillo (ASTM G83) y en la B de cara contra cara en discos, este es poco utilizado para desgaste ya que las velocidades de contacto varían con el diámetro, por lo que su desgaste no es uniforme.
Las siguientes figuras muestran arreglos asimétricos, la C tiene un Pin o esfera sobre cara plana giratoria (DIN 50324), la D es de Pin sobre anillo, en la figura E se tiene un bloque de presión sobre anillo (ASTM G99) y en la F un Pin sobre cara de deslizamiento longitudinal (ASTM G98).
En cada caso se considera el tipo de contacto inicial obtenido, que puede ser sobre un área, una línea o un punto. Además se considera si las pruebas se efectúan con lubricante o sin él y en dado caso también se pueden hacer pruebas de calidad de lubricante y capacidad de carga con estos mismos equipos una vez estandarizadas las pruebas y probetas.
Pares friccionantes usados como probeta y contra probeta
Máquina de pruebas Tribológicas
Otro tipo de geometría que se puede utilizar en pruebas destructivas de desgaste y lubricación es el método de las 4 esferas. Consta de 3 esferas que se pueden mover libremente dentro de un cuenco semiesférico, el movimiento y las cargas se les transfiere por una esfera situada en la parte superior, misma que se desplaza hacia abajo.
Se utilizan elementos hechos de acero estándar para baleros y las esferas son desde algunos milímetros hasta 25, la4.2. LUBRICANTES Y GRASAS (PROPIEDADES TRIBOLÓGICAS).
Los aceites minerales puros obtenidos mediante los procesos convencionales de refinación son los lubricantes líquidos mas comúnmente usados en la industria, pero frecuentemente son incapaces de cumplir las exigencias de la maquina moderna. Para mejorar las características deseables en un aceite básico así como para impartir otras propiedades que originalmente no tienen, se emplean una serie de productos químicos conocidos como aditivos. Es decir, un aceite de marca es aquel que se emplea en un equipo después de haber sufrido una formulación especial para cumplir las necesidades de operación y se tiene la siguiente formula general:
LUBRICANTE BÁSICO + ADITIVO = ACEITE DE MARCA
Se entiende por lubricación al proceso mediante el cual se logra una reducción en el coeficiente de fricción entre dos superficies sólidas en movimiento por lo tanto un lubricante será cualquier sustancia que reduzca el coeficiente de fricción.
De acuerdo a esta definición cualquier material que logre la reducción del coeficiente de fricción es un lubricante y lo podemos clasificar de acuerdo a diferentes criterios, el primero es de acuerdo a su estado y así serán :
Lubricante de Sólidos,
De acuerdo a Semisólidos o Saponificado,
su estado Liquido
Gaseoso.
Otra forma de clasificación es de acuerdo a su origen y así tendremos dos grandes grupos:
Natural Animal (grasa de lana, lanolina, aceite de foca, etc.).
De acuerdo Vegetal (aceite de lentisco, coco, cereales, etc.).
A su origen Mineral (derivados del petróleo y carbón).
Artificial Compuestos químicos.
Las propiedades que presentan los lubricantes son las características físicas y químicas necesarias para cada aplicación. Las características deseables que poseen comúnmente los aceites de marca son las siguientes:
VISCOSIDAD. Es probablemente la propiedad mas importante de un aceite lubricante y en ella se basan las principales clasificaciones. Es la medida de la fricción interna o resistencia a fluir de un liquido.
La viscosidad absoluta, se define como la fuerza necesaria para mover una superficie plana de un cm2. de área sobre otra superficie igual a una velocidad de 1 cm / seg. cuando los planos están separados por un colchón de liquido de un cm de espesor.
La forma de medir viscosidad mas usada es la viscosidad cinemática que se obtiene como el coeficiente de la viscosidad absoluta o dinámica entre la densidad del liquido, esta relación debe ser obtenida a las mismas temperaturas y se llama Stoke.
Vc = Vd / r
Debido a que esta unidad es relativamente grande se prefiere expresar en centésimas o sea el centistokes.
Otros sistemas para medir viscosidad incluyen la viscosidad: Seybolt, la Redwod y la Engler que son ampliamente conocidas en la industria, se pueden obtener las equivalencias entre diversos sistemas por medio de tablas, ejemplo la de ASTM.
CLASIFICACION DE LOS LUBRICANTES LIQUIDOS DE ACUERDO AL SERVICIO AL QUE HAN DE SER APLICADOS PRINCIPALMENTE.
Muchos de los lubricantes se destinan exclusivamente a una sola actividad mientras que otros pueden emplearse en una muy extensa variedad de equipos. De esta manera tenemos la siguiente clasificación:
1.-Aceites para sistemas circulatorios.
2.-Aceites para engranes.
3.-Aceites para motores de combustión.
4.-Aceites para equipos de refrigeración.
5.-Aceites para husillos.
6.-Aceites para cilindros y maquinas de vapor.
7.-Aceites para maquinaria textil.
8.-Lubricantes para cables de acero.
9.-Aceites no lubricantes para aplicaciones especificas (conformado de metales, de temple, grado alimenticio, aceite soluble refrigerante).
1.-Aceites para sistemas circulatorios.
Son también llamados aceites hidráulicos y son posiblemente los lubricantes de mas alta calidad derivados del petróleo. Quedan incluidos los aceites para turbinas de gas, los aceites de los sistemas hidráulicos de potencia y los aceites utilizados en los trenes de maquinaria como laminadoras e industria papelera.
Los sistemas de potencia incluyen bombas de presión, elementos de transmisión, elementos de control y salidas de potencia, como pueden ser cilindros y motores de fluidos.
2.- Aceites para engranes.
Se presentan en una gama de viscosidades y por lo regular contienen aditivos de extrema presión. La selección de un lubricante para un juego de engranes se debe basar en el tipo y material del engrane, la velocidad de rotación, la carga entre dientes, temperatura de uso y el método de aplicación del lubricante. Los lubricantes para engranes descubiertos deben tener propiedades adhesivas especiales ya que en muchas ocasiones se aplican con brocha.
3.- Aceites para motores de combustión.
Deben desempeñar numerosas funciones como reducir el desgaste y fricción, mantener el motor limpio, evitar la formación de herrumbre, actuar como enfriador y además como aceite hidráulico, por ejemplo en los buzos. El lubricante debe de funcionar a altas temperaturas y con presencia de polvo humedad por lo que estos aceites son los que mas agentes aditivos contienen, en particular los de maquinaria Diesel.
4.- Aceites para equipos de refrigeración.
El servicio comprende la lubricación de algunos elementos que trabajan a muy baja temperatura además en la practica siempre hay presencia de pequeñas cantidades de refrigerante en el aceite y viceversa. Es importante que el lubricante mantenga su fluidez hasta -37° C, no debe presentar el problema de flucoluacion (separación de ceras y parafinas ), debe tener una elevada constante dieléctrico, lo que implica un bajo contenido de agua y deben almacenarse en depósitos herméticos para que no absorban humedad del ambiente. El tipo de compresor influye directamente en el tipo de lubricante ( la resistencia dieléctrica debe ser por lo menos de 25 mil V ).
5.-Aceites para husillos.
Son productos minerales de viscosidades medias, y deben tener alta resistencia a la oxidación y a la formación de gomosidad. Deben tener buena adherencia ya que los husillos giran a altas revoluciones y por lo general son descubiertos.
6.- Aceites para maquinas de vapor.
Son productos residuales y se encuentran dentro de los aceites de mayor viscosidad, deben tener aditivos para proteger contra la oxidación y la formación de espuma y mantener su separación con el agua a altas temperaturas. Por lo general se tienen equipos adicionales para purificar al lubricante y separarlos del agua.
7.- Aceite para maquinaria textil.
Tiene una amplia variedad de viscosidades incluso dentro de una misma maquina, ya que lleva muchos mecanismos diferentes, por ejemplo: cojinetes, levas, engranes, cadenas, etc. y sus elementos funcionan a altas velocidades en atmósfera polvosa y húmeda. Un requisito especial es que si el lubricante hace contacto con el tejido no lo debe manchar y al aplicarle tintes estos no se vean afectados por el lubricante.
8.- Lubricantes para cables de acero.
Se usa un lubricante fluido de fabricación especial con una viscosidad de 600-SSU a 100°F que contiene una pequeña cantidad de alquitrán vegetal, para darle propiedades adherentes y penetrabilidad, es especialmente adecuado para cables de acero que se encuentran a la intemperie, en interiores es mas común el uso de grasas.
9.- Aceites para aplicaciones industriales especificas.
Algunas aplicaciones industriales requieren una formulación especial ya que la principal actividad del aceite no es la de lubricar, por ejemplo los aceites para temple que su finalidad es controlar la absorción de calor para dar tratamientos térmicos y se seleccionan de acuerdo a las calorías por segundo que pueden absorber.
Para el recortado de metales sobre todo en herramientas de corte automático se utilizan los aceites solubles que forman emulsiones con el agua y su principal función es la de bajar la temperatura de la herramienta de corte y mantener lubricada la punta.
Los aceites grado alimenticio se utilizan en los equipos para procesamiento de alimentos y son biodegradables, lo que quiere decir que si llagan a contaminar el alimento no son nocivos.
CARACTERÍSTICAS DE LAS GRASAS LUBRICANTES.
La Sociedad Americana para Ensaye de Materiales define una grasa, como un sólido o semifluido, producto de la dispersión de un agente espesante en un lubricante líquido ( ASTM- D289 ).
La composición comercial de una grasa está dada por la siguiente fórmula general:
Grasa = Fluido lubricante + Espesante + X
X = Cualquier tipo de aditivo.
Fluido lubricante.- La mayoría de las grasas continúan utilizando aceites minerales como fluidos principales, en una gran variedad de viscosidades, desde los ligeros como la kerosina, hasta los aceites pesados para cilindros de vapor. En grasas especiales se manejan aditivos del propio petróleo como puede ser cera, petrolato o asfalto que se incluyen como del componente natural aunque también son espesantes.
Los lubricantes más especializados, como en las grasas para aviación, tienen componentes fluidos como Esteres Dibásicos, Silicones, Esteres de fosfatos y silicatos, Glicol poliakilénico etc. La principal desventaja de estos fluidos es su costo.
Espesantes.- Para este fin los materiales más usuales son los jabones metálicos y se producen en base de Sodio, Calcio, Aluminio, Litio y Bario.
Las grasas antiguas fueron hechas con jabones de Calcio y posteriormente Sodio. Muchas se fabrican con una combinación de jabones, por ejemplo Calcio y Litio llamadas grasas mixtas.
Otros jabones de reciente uso, no pueden emplearse en base simple y solo se presentan en base mixta como el Estroncio, Magnesio, Cromo y Berilio. Los jabones de Plomo y Zinc solo se aplican como aditivos ya que no tienen poder espesante.
Las grasas complejas, utilizan los jabones complejos que no son más que la combinación de un agente espesante metálico convencional y un ingrediente complejo, que son substancias químicas orgánicas o inorgánicas de molécula muy grande, por ejemplo el Complejo Calcio que tiene jabón de Calcio y un ácido orgánico que es el agente complejo, estas grasas se caracterizan por tener un punto de escurrimiento elevado, por arriba de 260° C.
Por otra parte, desde 1945 se han experimentado grasas denominadas sin jabón ( NST, Non Soap Thickoerns ). Estas grasas utilizan un amplio rango de materiales espesantes como arcillas tipo bentonita, sílica aerogels, fibras de asbesto o sintéticas, gomas resinas, sales orgánicas e inorgánicas, etc. Las de mayor aplicación son las primeras y actualmente se está utilizando mucho la resina Alkil Urea, para temperaturas de operación muy elevadas.
Base Metálica
Base simple Fabricación antigua ( Na, Ca )
Fabricación moderna (Al, Li, Ba )
Base mixta ( Mezclas de jabones, Ca-Li, Na-Pb, Ca-Zn )
Base compleja (con agentes complejos )
Especiales ( con parafina, petrolato, asfalto )
Artificiales
NST, sin jabón ( Bentonita, Alkil urea )
Fluido diferente al acite mineral ( Esteres bibásicos, Silicones )
Aditivos y Modificadores.- Es el tercer elemento que interviene en una grasa y es un material añadido para modificar la estructura, mejorar el comportamiento de la grasa o simplemente el color.
Pueden ser antioxidantes, agentes de extrema presión, depresores de punto de fluidez, mejoradores de viscosidad, antiherrumbrantes, contra lavado por agua, pigmentos, etc. Un material muy utilizado es el Bisulfuro de Molibdeno que mejora la habilidad para reducir el desgaste y el coeficiente de fricción en zonas de baja velocidad y grandes cargas.
PROPIEDADES DE LAS GRASAS.
A continuación tenemos algunas de las principales características que se especifican exclusivamente para grasas lubricantes.
A.- Consistencia ( C.F. ).
Es un término utilizado para describir la característica de flujo de un sólido o plástico bajo presión, las grasas tienen carac. plásticas y por ello se mide su consistencia. La ASTM, ha estandarizado un método para medirla por medio del cono de penetración, que tiene su equivalencia en DIN ( Normenblátter der Deutschen Normen-Ausschusses ) y en grados NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes )
B.- Punto de escurrimiento ( C.F. ).
Es la temperatura a la cual la grasa pasa del estado semisólido a líquido. Es muy importante ya que es una indicación directa cualitativa de la resistencia al calor de una grasa.
C.- Factor Dn ( C.F.Q. ).
Cuando se utiliza una grasa para lubricar rodamientos, hay que tomar en cuenta el diámetro de la flecha donde se va a montar el balero y su velocidad máxima. Con estos datos se calcula el factor Dn, que es el producto del diámetro de la flecha en mm, por el número de revoluciones por minuto.
Este valor ha sido cuantificado en laboratorio para cada tipo de grasa y no es mas que la fórmula simplificada de la velocidad tangencial . Los valores van desde 100 000 a 250 000, de manera práctica podemos saber si la grasa va a permanecer en el balero o será desalojada, si el valor calculado es mayor al de la norma marcada por el fabricante.
4.3. RECOMENDACIONES GENERALES PARA DIAGNOSTICAR DESGASTE.
Sugerencias para diagnóstico de desgaste.
A).- Hacer pruebas de desgaste antes de que se presente el desgaste catastrófico de acuerdo al tipo de esfuerzos.
B).- Comparar la pieza desgastada con una nueva
C).- No limpiar las superficies desgastadas.
D).- Analizar varias partes de las superficies de la pareja tribológica.
E).- Coleccionar todos los materiales que forman parte del sistema que interviene en el desgaste y lubricación ( aceites, filtros, depósitos, etc. ).
F).- Confrontar la información con el operador.
Se deben observar las superficies a través de una serie de lupas con aumentos progresivos hasta estar seguros del tipo de desgaste tribológico principal y el tipo de fractura (frágil o elástica).
El siguiente es en formulario industrial que se ha aplicado en Estados Unidos para supervisores de problemas de desgaste.
1.- La secuencia de desgaste fue establecida.
2.- El origen del desgaste fue establecido.
3.- Lugar de origen (en o bajo la superficie).
4.- El desgaste fue acompañado por concentración de esfuerzos.
5.- Cuanto tiempo duro el desarrollo del desgaste.
6.- La intensidad de la carga fue alta.
7.- Tipo de carga aplicada ( estática, cíclica, de impacto ).
8.- Se establecieron las direcciones de esfuerzos principales teóricos, tensión y corte.
9.- Temperatura en la zona de desgaste y del medio ambiente.
10.- Cual fue el mecanismo de desgaste.
11.- La temperatura influyó en el desgaste.
12.- La corrosión influyo sobre el desgaste.
13.- El material utilizado fue el adecuado de acuerdo al diseño.
14.- El área de las secciones es adecuada al servicio y cargas.
15.- La pieza tubo tratamientos térmicos adecuados.
16.- El proceso de fabricación coincide con las especificaciones de diseño.
17.- La pieza fue instalada adecuadamente (alineación, golpes, vibración etc.).
18.- Se efectuó mantenimiento antes del desgaste o fractura y como se realizó.
19.- Existió abuso en el servicio de la pieza.
20.- La lubricación fue la adecuada.
21.- Se puede mejorar el diseño para prevenir fallas.
22.- Existen otras piezas similares en servicio que puedan fallar de la misma manera y que se puede hacer para evitarlo.
De acuerdo a un análisis hecho por la NASA. En sus proveedores, detecto la distribución de porcentajes de fallas en los equipos :
- Mantenimiento 30%
- Diseño 15%
- Manufactura 7%
- Servicio 5%
- Usuario 40%
- Otros 3%
velocidad varía desde unos mm por seg, hasta varios cientos de metros por seg.
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