Selección de materiales

Para realizar el procedimiento del análisis CAE se deben reconocer aquellos factores que implican mayor relevancia para el proceso de movimiento; en vista de ello la primera acción es determinar el peso de los eslabones, soportes, elementos y juntas que componen el mecanismo, con el fin de evidenciar las cargas que deben soportar debido al efecto de su propia masa y de la gravedad, no obstante, el peso de cada pieza estará definido por el material del cual estén fabricados.

La gama de materiales utilizados fue seleccionada tomando en consideración la biblioteca predeterminada por el software de NX, dichos materiales fueron escogidos para dos casos en particular.

• Elementos estáticos: Como soportes, guías o piezas que se encuentran anclados o son parte de la bancada.

1. Aluminio 2014 2. Aluminio 6061 3. Acero

• Elementos dinámicos: Como eslabones, juntas o pasadores que se encuentran en movimiento o contacto repetitivo con otros.

4. Acero SAE 4340 5. Latón

6. Bronce

1. La aleación de aluminio 2014 está indicada para la construcción de elementos estructurales que requieran elevadas características mecánicas, en aeronáutica, piezas forjadas para bicicletas (mariposas, bielas, frenos, etc.), motos, y en general para la construcción de herrajes, tornillos, pernos, remaches, palas forjadas para hélices de helicópteros, armamento, etc. (Teknika,2019)

Aleación tratable al calor, de alta resistencia, de alta resistencia a la fatiga.

Designación: - 3.1255/ EN AW 2014

- UNS A92014

Tabla 3.6. Composición química del aluminio 2014. Fuente: Elaboración propia.Fuente:Delta Trading

2. La aleación de aluminio 6061 es una de las más utilizadas de la serie 6000 y posee buena conformabilidad con una resistencia de media a alta. El aluminio 6061 presenta una muy buena resistencia a la corrosión y óptima soldabilidad, aunque con una resistencia reducida en la zona de soldadura.

Esta aleación de uso general puede ser trabajada en frío, anodizada, recocida y extruida y se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones tales como estructuras de alta resistencia que requieren buena resistencia a la corrosión, componentes aeroespaciales y de aviación, vagones de ferrocarril, transporte, accesorios marinos, válvulas, maquinaria y tuberías.(Teknika,2019)

Designación: - 3.3211/ EN AW 6061

3. Aleación formada de hierro y una pequeña cantidad de carbono que oscila entre el 0.05% y el 2.00% en masa, y otros elementos en menor proporción como silicio, manganeso, cromo, entre otros. (MIPSA.2019)

Dentro de las propiedades que presenta el acero, se mencionan las más importantes a continuación: • Ductilidad • Dureza • Resistencia • Maleabilidad • Tenacidad

4. Acero de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo. Posee buena resistencia a la fatiga, alta templabilidad, excelente tenacidad, regular maquinabilidad y baja soldabilidad. No presenta fragilidad de revenido. Apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecánicas.

Para la fabricación de piezas y herramientas sometidas a las más grandes exigencias y a los más altos esfuerzos estáticos y dinámicos. Cigüeñales, cardanes, piñones, pernos y tornillos de alta resistencia, engranajes para máquinas, discos de freno, barras de torsión y árboles de transmisión.

Tabla 3.8. Composición química del acero SAE 4340. Fuente: Fuente:Delta Trading

5. El latón es una aleación formada de cobre y zinc, por la fusión del cobre con un mineral del zinc, la calamina, para que el latón que sea industrial, el porcentaje utilizado de Zinc no puede ser menos del 20% y no debe sobrepasar el 40%, pues está composición puede influir en características mecánicas, como la capacidad de conformación por fundición, la fusibilidad, el troquelado o el mecanizado. (Mecanizadossinc, 2019)

El latón común presenta las siguientes características:

• Ductilidad

• Es maleable en frío (nunca en caliente porque se puede quebrar). Esta maleabilidad varía según la composición o la temperatura y cambia si se mezcla el latón con otros materiales.

• El latón se funde alrededor de los 980 ºC. Se puede fundir y colar con moldes para obtener piezas de geometría complejas.

• Resistente a la oxidación, corrosión, al desgaste y a las condiciones salinas.

• Es de fácil y uniforme mecanizado; es fácil de mecanizar, fundir y troquelar, pero es más duro que el cobre. Además, admite pocos tratamientos térmicos y solo se realiza el de cristalización y homogeneización.

Se puede usar para armamento, soldaduras, cerraduras, engranajes, munición, fontanería, construcción naval, válvulas, tornillos, enchufes, clavijas, termostatos, alambres, tubos de condensador y terminales eléctricas.

6. El bronce es una aleación metálica formada de cobre, como componente básico y de estaño, con una proporción del 3 al 20%. Aun así, también puede incluir otros materiales en pequeñas cantidades como de plomo, cinc, fósforo o plata, entre muchos otros. El proceso de mecanizado del bronce es sencillo, aunque tiene una elongación y ductilidad menor que el acero, por lo que requiere un cuidado más específico.

Hoy en día, es especialmente útil para el sector mecánico, pues este cuenta con un gran comportamiento frente al desgaste y es resistente a la corrosión. Gracias a esto, el bronce es muy útil para la fabricación de engranajes, tubos, manguitos, casquillos o cojinetes, entre otros. (Mecanizadossinc, 2019)

El bronce común presenta las siguientes características:

• El bronce es más frágil y tiene menos puntos de fusión.

• Es un 10% más pesado que el acero.

• Resiste la corrosión (incluso la de origen marino) y es mejor conductor del calor y de la electricidad.

• Ausencia de chispas al golpear la superficie dura del bronce.

• Versatilidad en sus propiedades físicas, mecánicas y químicas.

Para realizar el proceso de medición de la masa y el peso de las piezas que conforman el mecanismo, se realiza el siguiente procedimiento:

• Abrir la pestaña de “Menú”, seleccionar la opción “Materiales” y asignar el material deseado a la pieza.

• Abrir nuevamente la pestaña “Menú”, seleccionar la opción “análisis” y dar clic en la sección de “Medir el cuerpo”, de esta forma el programa arrojará varios parámetros físicos de la pieza, entre los cuales se encuentra la masa y el peso.

Dichos valores son consignados a continuación:

Tabla 3.10. Peso de las piezas dinámicas para tres materiales. Fuente: Elaboración propia

Teniendo en cuenta las propiedades mecánicas ofrecidas por los materiales, sus características principales y el peso que le atribuyen a los distintos elementos del mecanismo se opta por utilizar la aleación 2014 del aluminio para los elementos estáticos y la aleación de acero SAE 4340 para los elementos dinámicos, tomando en consideración los siguientes aspectos:

• El aluminio 6061 posee propiedades mecánicas similares al 2014, además lo aventaja al ser un poco más liviano, sin embargo, este material pierde bastante resistencia en la zona de soldadura el cual es un factor determinante debido a que muchas de las piezas del mecanismo deben ser soldadas para realizar su fabricación.

• El acero posee mejores propiedades mecánicas que el aluminio 2014, como un mayor límite elástico y una mayor resistencia a la tensión y a la compresión, sin embargo, es tres veces más pesado que el aluminio, factor que influye directamente en la carga que debe

soportar el sistema, además realizar el proceso de mecanizado en acero requiere de herramientas más resistentes para poder vencer la dureza del metal durante la fabricación.

• Tanto el latón como el bronce presentan excelentes propiedades mecánicas, sin embargo, el latón no permite muchos procesos de tratamiento térmico, el acero SAE 4340 tiene límites de elasticidad y valores de resistencia muy superiores, además es el más liviano de los tres, convirtiéndose en la opción más viable en este caso ya que es utilizado para aplicaciones de alta exigencia y grandes esfuerzos.