Ejercicios Resueltos Transmision de movimiento Mecanismos Tornillo Tuerca

tornillo sin fin

1 Por: José Moreno Guirao 2 Índice: 1.1. Alcances y Objeto del proyecto. 1.2. Emplazamiento y Situación. 1.3. Normas y aplicación existente. 1.3.1. Dibujo Técnico 1.3.2. Engranajes 1.3.3. Aplicaciones y Tratamientos Térmicos de los Aceros 1.3.4. Chavetas y Chaveteros 1.3.5. Tolerancias 1.3.6. Lubricantes 1.3.7. Rodamientos 1.3.8. Poleas 1.3.9. Correas 1.4. Memoria Eléctrica. 1.4.1. Motor Eléctrico 1.4.2. Cableado 1.4.3. Contactores 1.4.4. Relé Térmico 1.4.5. Interruptor Magnetotérmico 1.4.6. Puesta a Tierra 1.4.7. Interruptor Diferencial 3 1.4.8. Cuadro Eléctrico 1.4.9. Pulsadores 1.4.10. Funcionamiento Eléctrico 1.5. Memoria Mecánica 1.5.1. Materiales 1.5.2. Ruedas dentadas 1.5.3. Ejes 1.5.4. Poleas y correas 1.5.5. Chavetas 1.5.6. Rodamientos 1.5.7. Elementos de unión 1.5.8. Lubricantes 1.5.9. Tratamientos térmicos 2.1. Condiciones de los materiales 2.1.1. Condiciones ambientales 2.1.2. Ruidos 2.1.3. Vibraciones 2.1.4. Informaciones relativas a la seguridad 2.1.5. Montaje de la reductora 2.1.5.1. Instalación del reductor 2.1.6. Inspección del reductor y arranque del mismo 2.1.7. Mantenimiento 2.1.7.1. Parámetros e intervalos de control 2.1.7.2. Mantenimiento programado 4 2.1.7.3. Mantenimiento predictivo 2.1.8. Posibles Averías y Soluciones 2.2 Ensayos 2.2.1. Pruebas de dureza 2.2.2. Ensayo de Brinell 2.2.3. Ensayo de Rockwell 2.2.4. Ensayo de Vickers 2.2.5. Líquidos proyectantes 2.2.6. Radiografías Industriales 2.2.7. Partículas magnéticas 2.2.8. Aplicación de ultrasonidos 2.2.9. Corrientes inducidas 2.2.10. Radiaciones de rayos X y Gamma. 3.1. Cálculos Eléctricos 3.1.1. Cálculos de motor 3.1.2 Elección de cables 3.1.3. Elección de fusibles 3.1.4. Elección de Magnetotérmico 3.1.5. Elección del contactor 3.1.6. Elección de diferencial 3.1.7. Elección de térmico 3.1.8. Elección de cuadro o armario 5 3.2. Cálculos Mecánicos 3.2.1. Tipo de dientes 3.2.2. Engranajes 3.2.2.1. Engranaje Primario 3.2.2.2. Engranaje Secundario 3.2.2.3. Engranaje Terciario 3.2.3. Peso de Piñones de Caja reductora 3.2.3.1. Peso de Piñón 1 3.2.3.2. Peso de Piñón 3 3.2.3.3. Peso de Piñón 5 3.2.3.4. Peso de Piñón 2 3.2.3.5. Peso de Piñón 4 3.2.3.6. Peso de Piñón 6 3.2.4. Peso de los ejes 3.2.5. Ejes 3.2.5.1. Cálculo flexión Eje Conductor 3.2.5.2. Cálculo flexión Eje Conducido 3.2.5.3. Cálculo torsión Eje Conductor 3.2.5.4. Cálculo torsión Eje Conducido 3.2.6. Correa de Transmisión y poleas 3.2.7. Tolerancias 3.2.7.1. Tolerancia de rodamientos con eje 3.2.7.2. Tolerancia de rodamientos con eje 3.2.7.3. Tolerancia de chaveteros con chavetas 3.2.7.4. Tolerancia de chavetas con piñones 3.2.8. Rodamientos 6 4. Presupuestos 4.1. Presupuesto mecánico 4.2. Presupuesto eléctrico 5. Planos 5.1. Planos mecánicos 5.2. Planos eléctricos 7 1.1. Alcances y Objeto del proyecto. Objetivo. El objetivo de este proyecto es el diseño y calculo de una caja reductora con el fin de transmitir tres velocidades (450, 400 y 350) a una cinta transportadora en una fábrica de plásticos, ya que los operarios que retiran las piezas defectuosas de la cinta transportadora no rinden a una misma velocidad a o largo del día. Esta caja reductora irá unida a un motor trifásico con arranque estrella triangulo e inversor de giro (SS1325-4). La carga máxima que será transportada en la cinta transportadora será de 4,4kg con un índice de seguridad n=2. 8 1.2. Emplazamiento y Situación. Localización. La cinta transportadora está situada en la empresa Plásticos Romero S.A. situada S/N, POLIG. IND. EL TAPIADO, 30500 Molina de Segura, Murcia. 1.3. Normas y aplicación existente. 1.3.1. Dibujo Técnico Las normas respecto al dibujo técnico del proyecto son las siguientes: ▪ Normas de cortes y secciones según la UNE 1-032-75. ▪ Indicaciones de los estados superficiales según UNE 1-037-83. ▪ Normas de rotulación según la UNE 1-034-75. ▪ Normas de acotación según la UNE 1-030-75. 9 1.3.2. Engranajes. Loa engranajes no están normalizados, por lo tanto, han de ser construidos por encargo en una empresa de mecanizado. 1.3.3. Aplicaciones y Tratamientos Térmicos de los Aceros. La norma UNE 36012 es la que nos ha servido de referencia para aceros de gran resistencia, que son los comprendidos entre F-112 y F-133. 1.3.4. Chavetas y Chaveteros. La norma UNE 17102 nos regula y normaliza las chavetas y chaveteros del proyecto. 1.3.5. Tolerancias. La norma UNE 4-040-81recoge el más habitual basado en el sistema de calidad ISO, con sus variantes sistema de eje único o agujero único. 1.3.6. Lubricantes. Por DIN 51512 y normas SAE. 10 1.3.7. Rodamientos. Estos rodamientos tienen una representación simplificada general basada en la norma ISO-8826-1:1989. 1.3.8. Poleas La representación de las poleas está normalizada según norma UNE 18164-85 1.3.9. Correas Norma UNE 18006-93 en siete tipos básicos según su sección transversal Y, Z, A, B, C, D, y E. En nuestro caso y según los cálculos hemos seleccionado correa con sección tipo A 11 1.4. Memoria Eléctrica. 1.4.1. Motor Eléctrico Es una máquina eléctrica rotativa, capaz de convertir la energía eléctrica trifásica suministrada, en energía mecánica. La energía eléctrica trifásica origina campos magnéticos rotativos en el bobinado del estator lo que provoca que el arranque de estos motores no necesite circuito auxiliar, son más pequeños y livianos que uno monofásico de inducción de la misma potencia, debido a esto su fabricación representa un costo menor. En el proyecto utilizaremos un motor trifásico asíncrono con dos pares de polos, una potencia de 7,5 cv y 1500 rpm. 1.4.2. Cableado El cable eléctrico es aquél cuyo propósito es conducir electricidad. Suele estar fabricado de cobre (por su nivel de conductividad) o aluminio (que resulta más económico que el cobre). En proyecto usaremos cableado rojo para el circuito de mando, azul para la línea del neutro, negro para el circuito de potencia y verde y amarillo para la toma de tierra 12 1.4.3. Contactores Un contactor es un elemento electromecánico que tiene la capacidad de establecer o interrumpir la corriente eléctrica de una carga, con la posibilidad de ser accionado a distancia mediante la utilización de elementos de comando, los cuales están compuesto por un circuito bobina / electroimán por la cual circula una menor corriente que la de carga en sí (incluso podría utilizarse baja tensión para el comando). Tiene como finalidad establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito de mando, cuando se dé tensión a la bobina (en el caso de contactores instantáneos). 1.4.4. Relé Térmico Está diseñado para la protección de motores contra sobrecargas, fallo de alguna fase y diferencias de carga entre fases. Si el motor sufre una avería y se produce una sobreintensidad, unas bobinas calefactoras (resistencias arrolladas alrededor de un bimetal), consiguen que una lámina bimetálica, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, se deforme, desplazando en este movimiento una placa de fibra, hasta que se produce el cambio o conmutación de los contactos. El relé térmico actúa en el circuito de mando, con dos contactos auxiliares y en el circuito de potencia, a través de sus tres contactos principales. 13 1.4.5. Interruptor Magnetotérmico Un interruptor magnetotérmico, interruptor termomagnético o llave térmica, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. 1.4.6. Puesta a Tierra La puesta a tierra se emplea en las instalaciones eléctricas para llevar a tierra cualquier derivación indebida de la corriente eléctrica a los elementos que puedan estar en contacto, ya sea directa o indirectamente, con los usuarios (carcasas, aislamientos, etc.) de aparatos de uso normal, por un fallo del aislamiento de los conductores activos, evitando el paso de corriente al usuario. 14 1.4.7. Interruptor Diferencial Un interruptor diferencial es un dispositivo electromagnético instalado en el cuadro eléctrico de todo tipo de instalaciones con el fin de proteger a las personas de contactos directos e indirectos con electricidad. La clave del interruptor diferencial o disyuntor reside en su medición de la corriente de entrada y salida, que debe ser la misma para que la electricidad circule de un modo correcto y seguro. 1.4.8. Cuadro Eléctrico El cuadro eléctrico es la parte de la instalación eléctrica en la que se encuentran los elementos de protección y control de la energía. 15 1.4.9. Pulsadores Un pulsador es un operador eléctrico que, cuando se oprime, permite el paso de la corriente eléctrica y, cuando se deja de oprimir, lo interrumpe. Se emplea en los timbres, las máquinas expendedoras de refrescos, los teclados de los ordenadores, para seleccionar el piso en los ascensores y en otras muchas aplicaciones. Por lo general, los contactos del pulsador están abiertos; es decir, no dejan pasar la corriente. También existen pulsadores que normalmente tienen los contactos cerrados; es decir, la corriente estará circulando hasta que lo usemos. 1.4.10. Funcionamiento Eléctrico Hay dos pulsadores de marcha que activan el motor uno en un sentido y otro en el contrario, el pulsador de paro lo para y otro pulsador de paro de emergencia alejado de la botonera. Para pasar de un sentido a otro hay que pasar por paro. Al ponerse en marcha el motor, se arranca en estrella y tras 10 segundos pasa a triángulo. 16 1.5. Memoria Mecánica 1.5.1. Materiales Todos los elementos móviles de la caja reductora serán de acero al carbono F-114 que es de tipo semiduro al que se aplicará tratamientos térmicos de temple y el revenido para aumentar su dureza y eliminar tensiones internas, además de un tratamiento termoquímico de nitruración para cambiar las propiedades del acero en la parte externa, la cual, es la que más desgaste sufrirá. El material de la caja será un tipo de fundición gris, aleación hipereutectoides que contiene entre 1,5 y 2% de carbono. Tiene como finalidad la reducción de vibraciones. Según los catálogos, los rodamientos y poleas están compuestos de: Rodamientos: acero estándar para aros y arandelas de rodamientos es 100Cr6, un acero que contiene aproximadamente un 1% de carbono y un 1,5% de cromo. Los elementos rodantes pueden fabricarse de material cerámico. Las jaulas de polímero están fabricadas de poliamida 66 (PA66) Correas: se componen de una combinación de materiales como elastómero, termoplástica con tejido mixto y urdimbre de aramida, cuero al cromo y poliamida. 17 1.5.2. Ruedas dentadas Se denomina engranaje al mecanismo utilizado para transmitir potencia mecánica de un componente a otro. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona y la menor piñón. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante el contacto de ruedas dentadas. Tipos: Engranajes Helicoidales de ejes paralelos Se emplea para transmitir movimiento o fuerzas entre ejes paralelos, pueden ser considerados como compuesto por un numero infinito de engranajes rectos de pequeño espesor escalonado, el resultado será que cada diente está inclinado a lo largo de la cara como una hélice cilíndrica. Engranajes Helicoidales de ejes cruzados Son la forma más simple de los engranajes cuyas flechas no se interceptan teniendo una acción conjugada (puede considerárseles como engranajes sinfín no envolventes), la acción consiste primordialmente en una acción de tornillo o de cuña, resultando un alto grado de deslizamiento en los flancos del diente. 18 Engranajes helicoidales dobles Los engranajes "espina de pescado" son una combinación de hélice derecha e izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica de un engrane helicoidal doble. Engranajes cónicos Se fabrican a partir de un tronco de cono, formándose los dientes por fresado de su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los datos de cálculos de estos engranajes están en prontuarios específicos de mecanizado. 19 Características que definen un engranaje de dientes rectos: Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias. • Diente de un engranaje: Son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro de este. • Módulo: M = Dp/Z El módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo. 20 • Circunferencia primitiva: Dp = Z x M Es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes. • Paso circular: Pc = n x M Es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos. • Espesor del diente: E = Pc/2 Es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo. • Número de dientes: Z = Dp/M Es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20o ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25o. • Diámetro exterior: Dex = (Z+ 2) x M Es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje. • Diámetro interior: Di = Dp – 2.5 x M Es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente. 21 • Pie del diente: hp = 1.25 x M También se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva. • Cabeza del diente: M También se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo. • Flanco: Es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento. • Altura del diente: H = 2.25 x M Es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum). • Angulo de presión: Es el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, φ (20o o 25o son los ángulos normalizados). • Largo del diente: Es la longitud que tiene el diente del engranaje • Distancia entre centro de dos engranajes: Dc = ( Dp1 + Dp2 ) / 2 Es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes. 22 • Relación de transmisión: Es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La relación puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. 1.5.3. Ejes Los árboles y ejes son elementos de máquinas, generalmente de sección transversal circular, usados para sostener piezas que giran solidariamente o entorno a ellos. Algunos elementos que se montan sobre árboles y ejes son ruedas dentadas, poleas, piñones para cadena, acoples y rotores. Los ejes no transmiten potencia y pueden ser giratorios o fijos. Por otro lado, los árboles o flechas son elementos que giran soportando pares de torsión y transmitiendo potencia. Los árboles están sometidos a torsión, flexión, carga axial y fuerzas cortantes, y al menos alguna de estas cargas es variable (en un árbol girando sometido a un momento flector constante, actúan esfuerzos normales variables). El material más utilizado para árboles y ejes es el acero. Se recomienda seleccionar un acero de bajo o medio carbono, de bajo costo. Si las condiciones de resistencia son más exigentes que las de rigidez, podría optarse por aceros de mayor resistencia. 23 1.5.4. Poleas y correas Una polea es una máquina simple, un dispositivo mecánico de tracción, que sirve para transmitir una fuerza. Consiste en una rueda con un canal en su periferia, por el cual pasa una cuerda y que gira sobre un eje central. Además, sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso. Según el tamaño de las poleas tenemos dos tipos: 1.Sistema reductor de velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida (de entrada) es menor que la velocidad de la polea motriz (de salida). Esto se debe a que la polea conducida es mayor que la polea motriz. 2. Sistema multiplicador de velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida es mayor que la velocidad de la polea motriz. Esto se debe a que la polea conducida es menor que la polea motriz. La velocidad de las ruedas se mide normalmente en revoluciones por minuto (rpm) o vueltas por minuto. Correa de transmisión. Cinta continua de perfil plano, redondo o trapezoidal, que sirve para transmitir movimiento de rotación entre dos o más ruedas o poleas. La transmisión por correa es un tipo de transmisión mecánica, en el cual una rueda rotatoria llamada motriz suministra energía a una o más ruedas conducidas. A diferencia de la transmisión por engranajes, la que 24 se realiza por correas simples está basada en la fricción, por lo cual el sistema tiene a veces un mecanismo tensor automático para evitar el patinaje o deslizamiento, o la posibilidad de ajustar la posición de una de las poleas. El sistema de transmisión por correa tiene las ventajas de su menor costo, fácil instalación y mantenimiento, buena eficiencia mecánica, operación silenciosa y suave, y relativamente larga vida útil. Tipos: CORREA EN "V" Correa de Ventilación general envuelta con tejido flexible y uso resistente. Menos generación de ruido. CORREA DENTADA EN "V" Correa de Ventilación dentada que provee la más alta flexibilidad. El diseño de diente redondo permite poleas más pequeñas y reduce el consumo de energía causado por torcimiento. Mínimo estiramiento para mantener la operación libre. Resistente al calor y aceite. 25 CORREA ACANALADA RIBSTAR Correa de Ventilación acanalada que provee la flexibilidad de una correa plana y el poder de capacidad de transmisión de una correa en "V". Su flexibilidad permite el uso de poleas más pequeñas sobre rapidez alta, y a la vez en múltiples tipos de poleas. Excelente para la aplicación en distintos ángulos. Resistente al calor y aceite. CORREA SYNCROSTAR Correa de Distribución que manejada sobre el eje de leva provee una silenciosa operación, con menos peso y mayor economía de combustible. Gran resistencia a la tensión con un mínimo de dilatación de la correa. Menos peso y ruido en comparación con el manejo de cadenas. 26 CORREA SUPERTORQUE Correa de Distribución con diseño único de diente redondeado, que permite un engranaje uniforme con poleas y reducido ruido. Su estructura provee dilatación y resistencia al estiramiento. Su engranaje uniforme permite alta rapidez de operación. CORREA DE ALTO MANEJO FUNCIONAL Correa de Distribución, cuyo contorno de dientes redondeados permite menos ruido y mayor operación. El engranaje uniforme de la correa con las poleas provee una alta rapidez en la operación. 27 1.5.5. Chavetas Se denomina chaveta a una pieza de sección rectangular o cuadrada que se inserta entre dos elementos que deben ser solidarios entre sí para evitar que se produzcan deslizamientos de una pieza sobre la otra. El hueco que se mecaniza en las piezas acopladas para insertar las chavetas se llama chavetero. La chaveta tiene que estar muy bien ajustada y carecer de juego que pudiese desgastarla o romperla por cizallamiento. Las chavetas se emplean para fijar piezas, como volantes, ruedas dentadas, poleas, sobre árboles o ejes de mecanismos y máquinas. 1.5.6. Rodamientos El rodamiento es el cojinete que minimiza la fricción que se produce entre el eje y las piezas que están conectadas a él. Esta pieza está formada por un par de cilindros concéntricos, separados por una corona de rodillos o bolas que giran de manera libre. 28 Existen diferentes clases de rodamientos de acuerdo con el tipo de esfuerzo que deben soportar en su funcionamiento. Hay rodamientos axiales, radiales y axiales-radiales según la dirección del esfuerzo. Tipos de rodamientos: -Rodamientos rígidos de bolas -Rodamientos de bolas a rótula 29 -Rodamientos de bolas con contacto angular -Rodamientos de rodillos cilíndricos -Rodamientos de agujas -Rodamientos de rodillos a rótula 30 -Rodamientos de rodillos cónicos -Rodamientos axiales a bolas -Rodamientos axiales de rodillos 31 -Rodamientos axiales de agujas 1.5.7. Elementos de unión Se denomina tornillo a un elemento mecánico utilizado en la fijación temporal de piezas entre sí, que está dotado de una caña con rosca triangular, que, mediante una fuerza de torsión ejercida en su cabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a una tuerca. 32 Tipos de tornillos: Partes de una rosca: Filete o hilo: superficie prismática en forma de hélice que es constitutiva de la rosca. Flanco: cara lateral del filete. Cresta: parte más externa de la rosca, o bien, unión de los flancos por la parte exterior. 33 Valle: parte más interna de la rosca, o bien, unión de los flancos por la parte interior. Diámetro nominal o exterior: diámetro mayor de la rosca. En un tornillo, es el diámetro medido entre las crestas de los filetes, mientras que en una tuerca es el diámetro medido entre los valles. Diámetro interior: diámetro menor de la rosca. En un tornillo, corresponde al diámetro medido entre los valles, mientras que en una tuerca es el diámetro medido entre las crestas. Ángulo de rosca o de flancos: ángulo medido en grados sexagesimales, que forman los flancos de un filete según un plano axial. Paso (P): distancia entre dos crestas consecutivas, que representa la longitud que avanza un tornillo en un giro de 360º. Tipos de rosca: -Rosca Métrica: Familia de pasos de rosca estandarizada y más usada. Gran resistencia a la tracción, debido al gran ángulo del hilo de rosca. Todas las magnitudes se miden en milímetros. Su nomenclatura es M10, donde M quiere decir que es métrica y el número es el grosor de la zona -Roscada (diámetro del agujero), en milímetros. Si lleva un segundo número, por ejemplo, M 10 x 0,75 este segundo número es el paso de la rosca, también en milímetros. Incluso podemos encontrarnos que tenga otro número más: M10 x 1.25 × 25. El último número (el 25) será la longitud de la rosca. -Rosca Whitworth: Rosca de perfil triangular cuyas medidas se dan en pulgadas. -Rosca Sellers: 1/4 de pulgada de diámetro, 20 hilos por pulgada con corte a 60o, paso unificado grueso, tipo americana. Su uso en el mundo del automóvil aparece muy extendido, denominándose, en algunos casos, rosca americana. -Rosca Americana o SAE: Los Estados Unidos tienen su propio sistema de roscas, que también se utiliza extensivamente en Canadá y en la mayoría de los otros países alrededor del mundo. -Rosca Unf: Rosca unificada fina utilizado para conductos de líquidos. 34 1.5.8. Lubricantes La lubricación, es cualquier procedimiento que reduzca la fricción entre dos superficies móviles. Cualquier material utilizado para este propósito es conocido como lubricante. La principal función de un lubricante es proveer una película para separar las superficies y hacer el movimiento más fácil. En un modelo donde un líquido actúa como lubricante, el líquido se comporta formando una película en las dos superficies externas, superior e inferior, adheridas firmemente. A medida que una de las superficies se mueva sobre la otra, las capas externas del lubricante permanecen adheridas a las superficies mientras que las capas internas son forzadas a deslizarse una sobre otra. La resistencia al movimiento no está gobernada por la fuerza requerida para separar las rugosidades de las dos superficies y poder moverse. En su lugar, esta resistencia está determinada por la fuerza necesaria para deslizar las capas de lubricante una sobre otra. Esta es normalmente mucho menor que la fuerza necesaria para superar la fricción entre dos superficies sin lubricar. 35 Las consecuencias de la lubricación: Debido a que la lubricación disminuye la fricción, ésta ahorra energía y reduce el desgaste. Sin embargo, ni el mejor lubricante podría eliminar completamente la fricción. En el motor de un vehículo eficientemente lubricado, por ejemplo, casi el 20% de la energía generada es usada para superar la fricción. La lubricación siempre mejora la suavidad del movimiento de una superficie sobre otra. Esto se puede lograr de distintas maneras. Los distintos tipos de lubricación normalmente son denominados Regímenes de Lubricación. Durante el ciclo de trabajo de la máquina puede haber cambios entre los diferentes regímenes de lubricación. Las mejores condiciones de lubricación existen cuando las dos superficies móviles están completamente separadas por una película de lubricante suficiente, como el modelo descrito anteriormente. Esta forma de lubricación es conocida como Hidrodinámica o lubricación de película gruesa. El espesor de la película de aceite depende principalmente de la viscosidad del lubricante, una medida de su espesor o la resistencia a fluir. Por otro lado, la lubricación es menos eficiente cuando la película es tan delgada que el contacto entre las superficies tiene lugar sobre un área similar a cuando no existe lubricación. Estas condiciones definen la lubricación límite. La carga total es soportada por capas muy pequeñas de lubricante adyacentes a las superficies. La fricción es menor que en superficies completamente sin lubricar y está principalmente determinada por la naturaleza química del lubricante. Varios regímenes de lubricación han sido identificados entre los dos extremos de lubricación hidrodinámica y límite. Las siguientes son las dos más importantes: • Lubricación mixta o de película delgada, existe cuando las superficies móviles están separadas por una película de lubricante continua con espesor comparable a la rugosidad de las superficies. Esta carga entonces está soportada por una mezcla de presión de aceite y los contactos entre superficies de tal forma que las propiedades de este régimen de 36 lubricación son una combinación tanto de lubricación hidrodinámica como límite. • La lubricación elastohidrodinámica, es un tipo especial de lubricación hidrodinámica la cual se puede desarrollar en ciertos contactos con altas cargas, tales como cojinetes y algunos tipos de engranajes. En estos mecanismos él lubricante es arrastrado hacia el área de contacto y luego sujeto a muy altas presiones a medida que es comprimido bajo carga pesada. El incremento de la presión tiene dos efectos. En primer lugar, causa él incremento en la viscosidad del lubricante y por lo tanto un aumento en su capacidad de soportar cargas. En segundo lugar, la presión deforma las superficies cargadas y distribuye la carga sobre un área mayor. Funciones de los lubricantes Los lubricantes no solamente deben lubricar. En la mayoría de las aplicaciones deben refrigerar, proteger, mantener la limpieza y algunas veces llevar a cabo otras funciones. • Lubricación. La principal función de un lubricante es simplemente hacer más fácil que una superficie se deslice sobre otra. Esto reduce la fricción, el desgaste y ahorra energía. • Refrigeración. Cualquier material que reduzca la fricción actuará como un refrigerante, simplemente, porque reduce la cantidad de calor generada cuando dos superficies rozan una contra otra. • Protección contra la corrosión. Obviamente, un lubricante no debe causar corrosión. Idealmente, debe proteger activamente las superficies que lubrica, inhibiendo cualquier daño que pueda ser causado por el agua, ácidos u otros agentes dañinos que contaminen el sistema. Los lubricantes deben proteger contra la corrosión en dos formas diferentes: Deben cubrir la superficie y proveer una barrera física contra el ataque químico, y además, deben neutralizar los químicos corrosivos que se generen durante la operación del equipo. • Mantenimiento de la limpieza. La eficiencia con la cual una máquina opera es reducida sí su mecanismo sé contamina con polvo y arena, o los productos del desgaste y la corrosión. Estas partículas sólidas pueden 37 incrementar el desgaste, promover más corrosión y pueden bloquear las tuberías de alimentación de lubricante y los filtros. Los lubricantes ayudan a mantener las máquinas limpias y operando eficientemente, limpiando los contaminantes de los mecanismos. Algunos lubricantes, contienen además aditivos que suspenden las partículas y dispersan los contaminantes solubles en el aceite. Esto detiene la acumulación y depósito sobre las superficies de trabajo lubricadas. Los lubricantes utilizados para aplicaciones particulares pueden requerir otras funciones además de las descritas anteriormente. Por ejemplo: • Sellado. El aceite utilizado en motores de combustión interna debe proveer un sellado efectivo entre los anillos del pistón y las paredes del cilindro. El sellado es también importante en la lubricación de bombas y compresores. • Transmisión de Potencia. Los aceites hidráulicos son usados para la transmisión y control de la potencia, al igual que lubrican el sistema hidráulico. • Aislamiento. Los aceites de aislamiento son utilizados en los transformadores eléctricos e interruptores de potencia. Tipos de lubricantes: Hay básicamente cuatro tipos de materiales que pueden ser usados como lubricante: • Líquidos. Distintos líquidos pueden ser utilizados como lubricantes, pero los más ampliamente utilizados son los basados en aceites minerales derivados del petróleo. Su fabricación y composición será vista con más detalle en la próxima sección de este tutorial. Otros aceites utilizados como lubricantes son los aceites naturales (aceites animales o vegetales) y los aceites sintéticos. Los aceites naturales pueden ser excelentes lubricantes, pero tienden a degradarse más rápido en uso que los aceites minerales. 38 • Grasas. Una grasa es un lubricante semifluido generalmente elaborado a partir de aceites minerales y agentes espesantes (tradicionalmente jabón o arcilla), que permite retener el lubricante en los sitios donde se aplica. Las grasas protegen efectivamente las superficies de la contaminación externa, sin embargo, debido a que no fluyen como los aceites, son menos refrigerantes que éstos y más difíciles de aplicar a una máquina cuando está en operación. • Sólidos. Los materiales utilizados como lubricantes sólidos son grafito, bisulfuro de molibdeno y politetrafluoroetileno (PTFE o Teflón). Estos compuestos son utilizados en menor escala que los aceites y grasas, pero son perfectos para aplicaciones especiales en condiciones donde los aceites y las grasas no pueden ser empleados. Pueden ser usados en condiciones extremas de temperatura y ambientes químicos muy agresivos. • Gases. El aire y otros gases pueden ser empleados como lubricantes en aplicaciones especiales. Los cojinetes lubricados con aire pueden operar a altas velocidades, pero deben tener bajas cargas. Un ejemplo de lubricación por aire son las fresas de los dentistas. Composición de un lubricante: La gran mayoría de los lubricantes son fabricados con aceites minerales, obtenidos del petróleo crudo. El proceso de transformación involucra varías etapas de refinación y mezcla para la producción de aceites base de propiedades adecuadas. Los aceites base por sí mismos no son capaces de llevar a cabo todas las funciones requeridas para un lubricante. Por lo tanto, se le deben agregar aditivos al aceite base para obtener el Lubricante final. Los aditivos deben mejorar las propiedades del aceite base y proporcionarle nuevas características. Pueden ser mezclados con otros aceites y una gran variedad de aditivos para extender o modificar sus propiedades y pueden ser fabricados para producir las características físicas requeridas. 39 ACEITES BASES: El aceite base para la fabricación de lubricantes es producido a partir de la refinación del petróleo crudo y la mezcla con productos refinados. Los aceites crudos son mezclas complejas de compuestos químicos. Su composición varía considerablemente dependiendo de sus orígenes, y por tanto sus propiedades. Combinando aceite base en varias proporciones, es posible producir un gran número de mezclas con una gran variedad de viscosidades y propiedades químicas. Como las propiedades de un aceite base son consecuencia de su composición química, vale la pena mirar un poco más de cerca los componentes de un aceite mineral. Todos los aceites minerales consisten principalmente de hidrocarburos, estos son compuestos químicos formados por moléculas de carbono e hidrógeno. Hay tres tipos de básicos de hidrocarburos: Alcanos, cicloalcanos y aromáticos. ADITIVOS La maquinaria moderna tiene alta demanda de lubricantes y muy específicos para cada componente de la misma. Con el objeto de cumplir con estos requerimientos la mayoría de los lubricantes industriales contienen aditivos que les confieren propiedades adicionales. Hay muchos tipos de aditivos, algunos de los cuales pueden cumplir varias funciones. La combinación de aditivos en un lubricante depende la aplicación en la que vaya a ser empleado. Es conveniente dividir los aditivos en tres categorías: • Aditivos que modifican el rendimiento del lubricante. Aquí se incluyen los mejoradores de índice de viscosidad y los depresores del punto de fluidez. • Aditivos que protegen el lubricante. Comprenden los agentes antioxidantes y antiespumantes. • Aditivos que protegen la superficie lubricada. A este grupo pertenecen los inhibidores de corrosión, los inhibidores de herrumbre, los detergentes, dispersantes y aditivos antidesgaste. 40 1.5.9. Tratamientos térmicos Un tratamiento térmico es todo proceso de calentamiento y enfriamiento controlado al que se somete un metal con el propósito de variar alguna o algunas de sus propiedades. El objetivo de un tratamiento térmico puede ser alguno o varios de los siguientes: - Conseguir menor dureza o mejor maquinabilidad. - Eliminar acritud originada por el trabajo en frio. - Eliminar tensiones que puedan ser causa de deformaciones después del maquinado o producir roturas de servicio. - Eliminar tensiones internas, originadas por deformación de la red, que aumentan la fragilidad. - Conseguir una estructura más homogénea. - Lograr máxima dureza y resistencia. - Mejorar la resistencia a los agentes químicos. - Variar, en general, alguna de las características físicas. 41 Los principales tratamientos térmicos son: Temple Para templar una pieza 1. Se calienta hasta una temperatura superior a la crítica, 2. Se mantiene el tiempo suficiente hasta lograr la total transformación de la austenita 3. Se enfría rápidamente. Tiene como finalidad: -Aumentar la resistencia a tracción, dureza. - Disminuir: plasticidad, tenacidad. - Modificar: Propiedades físicas: aumento del magnetismo y la resistencia eléctrica. Propiedades químicas: aumento de la resistencia a la corrosión. Tipos de Temple: Temple continuo completo • Aceros hipoeutectoides. • Ac3 + 50 °C • Ferrita en Austenita • Se enfría a una velocidad superior a la crítica. • Se obtiene MARTENSITA COMO ÚNICO CONSTITUYENTE 42 Temple continuo incompleto • Aceros hipereutectoides. • Ac1 + 50 °C • Perlita en Austenita y Cementita sin transformar • Se enfría a una velocidad superior a la crítica. • Se obtiene MARTENSITA MAS CEMENTITA COMO CONSTITUYENTES FINALES Temple Martempering • Temperatura austenizacion • Enfriamiento rápido en sales fundidas con temperatura 200-300ºC >Ms • Se mantiene hasta que el nucleo alcance temperatura baño. • Se extrae la pieza y se enfria al aire. • Se obtiene estructura martensitica con pocas tensiones residuales. Temple Austempering • Se utiliza para aceros que no aceptan el temple continuo. • Es más efectivo para evitar grietas y deformaciones (aceros muy tenaces). • Temperatura de austenizacion. • Enfriamiento brusco poco antes de Ms (antes de formarse la martensita) sobre 450ºC • Se introduce en baño de sales (isotérmica), transformando austenita en bainita (mucha tenacidad). • Posteriormente se enfría rápidamente. 43 Temple superficial • Para templar solo la superficie del acero. • Se obtienen piezas: • Superficie: Duras y resistentes • Núcleo: Tenaces. • Se calienta solo la zona superficial convirtiéndola en austenita y luego se enfría bruscamente (martensita). 1. Temple continuo completo 2. Temple continuo incompleto 3. Martempering 4. Austempering 5. Temple superficial Revenido Objetivo: eliminación de tensiones, aumento de tenacidad. Mejora la tenacidad de los aceros templados a costa de disminuir dureza y resistencia a la tracción, aunque siempre serán superiores a las del acero antes de templar y revenir. Tiene como finalidad: - Aumenta: alargamiento de rotura, estricción, densidad - Disminuye: resistencia a la tracción, limite elástico, dureza. 44 Recocido Consiste en un calentamiento a temperatura variable, según tipo de recocido, (>A3 o