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S.E.P. cenidet S.E.1.T D.G.I.T. ‘ L ~ ~ ~ ~ Ñ ~ DE UN DISPOSITIVO PARA DEPOSICIÓN EN PIEZAS MECÁNICAS PEQUENAS POR TRIBOADHESIÓN” T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN P R E S E N T A : INGENIERÍA MECÁNICA ING. JOSÉ NAVARRO TORRES ASESOR: M.C. JORGE COLíN OCAMPO CO-ASESOR DR. JOSÉ MAMA RODRIGUEZ LELis CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE DE 2004
Transcript of cenidet Jose Navarro... · Figura 2.3 Mecanismo del Desgaste de un Sistema Tribológico. ......
S.E.P.
cenidet
S.E.1.T D.G.I.T.
‘ L ~ ~ ~ ~ Ñ ~ DE UN DISPOSITIVO PARA DEPOSICIÓN EN PIEZAS MECÁNICAS PEQUENAS POR TRIBOADHESIÓN”
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN
P R E S E N T A : I N G E N I E R Í A M E C Á N I C A
ING. JOSÉ NAVARRO TORRES
ASESOR: M.C. JORGE COLíN OCAMPO CO-ASESOR DR. JOSÉ MAMA RODRIGUEZ LELis
CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE DE 2004
ceniúet Centm Nacional de Investigación
y Desanullo Tecnológico
MlO ACEPTAUÓN DEL DOCUMENTO DE TESIS
Cuemavaca, Mor., a 26 de noviembre del 2004
C. M.C. CLAUDIA CORTÉS GARCÍA Jefe del depIirtamento de Ing. Mecánica F'resente.
At'n C. Dr. Enrique S. Guti&z Wing Presidente de la Academia de ing. Mecánica
Nos es grato comunicarle, que conforme a los beamientos para la obtención del gmdo de Maestro en Ciencias de este Centro, y después de baber sometido a revisión académica la tesis titulada:"DISENo DE UN DISPOSITIVO PARA DEPOSICIÓN EN PIEZAS MECÁNICAS PEQUEÑAS POR TRIBOADl3ES16Wp'. realizada por el C. José Navarro Torres, y dirigida por MC. Jorge Coün Ocampo y Dr. José Ma Rodriguez Lelis y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento W de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el Correspondiente oficio de autorización de impresión
Atemente La Comisión de Revisión de Tesis
Sz*6AU,¿, Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik Nombre y ñrma Revisor Revisor Revisor
MC. Eladio Martúiez Rayón Nombre y firma
C.C.P. Subdkaión Académica Departamaito de Servicios Escolares D U ~ d e t e Y s
Estudiante
PROLONGACIÓN AV. PALMIRA ESQ. APATZINGAN. COL. PALMIRA. A.P. 5-164. CP. 62490. CUERNAVACA, MOR. - MCXICO TELSIFAX: (777) 314 OM7 y 312 7613
Centm Nacional de Invastigaci6n y Desanullo Tecnológico
M1 1 AUTORIZACI~N DE IMPRESI~N DE TESIS
Cuemavaca, Mor., a 29 de noviembre del 2004
C. JOSE NAVARRO TORRES Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica presente.
Despds de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de ingeniería Mecanica, en relación a su trabajo he tesis cuyo titulo es: "DISEÑO DE UN DISPOSITiVO PARA DEPOSICIÓN EN PIEZAS MECÁNICM PEQUEÑAS POR TRTBOADHESIÓN", me es grato comunicarle que conforme a los iineamientos establecidos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en este centro se le concede la autorización para. que proceda con la impresión de su tesis.
Atentamente
c. MC. claudi#Cort& Garcíí Jefa del Departamento de ing. Mecánica s. E. P.
CENTRO ~ACIONAL DE INVESTIGACION
Y DESAP.ROLL0 TECNOLOGICO
OEPARTAYENTO DE ING. MECANICA
C.C.P. Subdirección Académica Presidente de la Academia de Ing. Mecánica Departamento de servicios Escolares Expediente
PROLONGACIÓN AV. PAMIRA ESQ. APATZINGAN. COL, PALMIRA, A.P. 5164, CP. 62490, CUERNAVACA, MOR. - MeXICO TELSFAX: (777) 3140637 y312 7613
Deduatotias
,I DWS, por dám e l b6re alúedrío y h oportundadde disf"tar h d a .
,fI mi maáre, que me permitió áedir li6remente que dirección tomar.
)I %%La, por elgran amy que siempre me ha 6ridad0, por su tjempl, d i entrega, valóry fortabza que de eh he reci6ido toda mi d a , porque sólo así se puede querer a un hijo.
j I mi @, Joriue antes de nacerya es una íuz en mi camino, y sóí i ,!i pldo a aios, que b permita vivir grandes momentos y ser partú$e de el l is.
;4 mis tws y primos por e í c a r i a y apoyo siempre presente y en a6undanciu.
Na6or Navarro Rayo, Mi paáre, siempre presente.
AGRADECIMIENTOS
AI Consejo Nacional de Educación Tecnológica (Cosnet) y a la Secretaria de Educación Publica (SEP) por el apoyo económico brindado.
AI Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet) por la formación académica que se me otorgo a través de sus profesores.
A mi asesor Dr. Jorge Colin Ocampo por el apoyo para la realización de este trabajo, por su dedicación, y por brindarme su amistad sin limites.
AI mi co-asesor Dr. José María Rodriguez Lelis por la confianza incondicional que deposito en mi, por el apoyo brindado a toda hora sin importar cual fuera, porque nunca le puso condición alguna a su amistad.
A los miembros del jurado revisor: Dr. Jorge Colin Ocampo, M.C. Eladio Martinez Rayón, M.C. Claudia Cortés Garcia y al Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik, por sus valiosas aportaciones a este trabajo.
AI M.C. Eladio Martinez y M.C. Claudia Cortés, porque encontrar un maestro es bueno, pero un amigo como ustedes es un tesoro.
AI Dr. Martin E. Baltazar LÓpez, y al Dr. Enrique Gutiérrez Wing por las aportaciones para mejorar mi trabajo.
A mis Amigos y compañeros: Gerard0 Ortega, Vicente Torres Luna, Felipe Noh Pat, Onesimo Meza Cruz, Rafael Castillo, Jorge Olarte, Carlos Mellado, también a Wadi E. Sosa, con los que comparti esta excelente experiencia.
A los compañeros del area de tribologia: Sergio Reyes, Dagoberto Tolosa, Dagoberto Vela, Antonio Hernandez, Manuel Arjona, Samuel Reyes.
A Mario Villanueva y Arturo Abundez (mis compadres), por una amistad que espero trascienda y porque tribologia no será igual después de ustedes.
A la Sra. Lupita por ser como es.
A Don Carlos, Rocio, Israel y Artemio, por su ayuda y sobre todo por su amistad
A ti mujer, por darme un motivo para jamás desfallecer y estar siempre en mi pensamiento
A todas aquellas personas que su nombre se me escapa, y que de una u otra manera contribuyeron para realizar esta meta en mi vida.
A todos ustedes
GRACIAS
RESUMEN
El proceso de deposición por triboadhesión ha demostrado ser un proceso de recubrimiento
confiable, y los elementos de mecanismos han mostrado una mayor resistencia al desgaste.
En la industria existen varios elementos de mecanismos cuyo tamaño es de 2 a 5 cm de
diámetro y son difíciles de tratar por triboadhesión. En este trabajo se diseñó un sistema
mecánico para recubrir elementos de mecanismos dentro de este intervalo. Varios cojinetes
y un engrane fueron recubiertos por este proceso de deposición de forma exitosa.
ABSTRACT
The deposition process by triboadhesión has shown to be a reliable coating process, and
machine elements have exhibit a higher resistance to wear. In industry there are many
machine elements whose size is within 2 to 5 cm diameter and are difficult to treat by
triboadhesion. In this work it is designed a mechanical system to coat machine elements within this interval. Rollling bearings, and a gear were deposited by this process succesfully.
CONTENIDO
INTRODUCCI~N .......... .............................................................. 1
CAP~TULO I ............................ .............................................................. 3
1.1 INTRODUCCI~N ..................................................................
................................ ...........
............................................................................................. 11
2.1 ANTECEDENTES ...........................................................................
2.2 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA TRIBOADHESI~N ..........
DESGASTE .....
TRIBOADHESI~N ..................................................... 21
GENERACIÓN DE CALOR ...
CAPiTULO 3 ................ ..................................... 27
2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE DEPOSICIÓN ........................................ 20
.................... 22
3.1 INTRODUCCI~N ................... 27 3.2 DESCRIPCIÓN
FRESA ROTATIVA .....................................................
SISTEMA DE ROTACIÓN DE LA FRESA ..................
SISTEMA DE ROTACIÓN PARA RODAMIENTOS ....
SISTEMA DE ROTACIÓN DE ENGRANES .................................
.................. 31
................... 31
SISTEMA DE MEDICIÓN DE FUERZA NORMAL ...................................... SISTEMA ADQUl
DISPOSITIVO AL .................... 36 TOBERA DE SUMINISTRO DE POLVO ...................................................... RECUPERADOR DE POLVO ...
CAP~TULO 4 ...................... ................. 39
4.1 INTRODUCCI~N .................................................... .................................. 39 4.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES .................................................
DESARROLLO DE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES ............ ................. 40
SELECCIÓN DEL MATERIAL DE APORTE .................................................................. 41
SELECCIÓN DEL MATERIAL BASE ..................................
........................................................................
5.1 RESULTADOS .....................................................................
5.2 TRABAJOS FUTUROS .......................................................................................... 52
REFERENCIAS BlBLlOGRÁFlCAS .................................................................. 53
.................................................................. 56
.................................................................. 61
....................................... 61
............................. 64
CONSERVACION DE ENERGIA DEL SISTEMA
CONSERVACIÓN DE MOMENTO DEL SISTEMA
APÉNDICE c ..................................................... .................................... 68
APÉNDICE D ............................................................... .................................... 70 ........................ CÁLCULOS ...............................................
CÁLCULOS ...........................................
RESULTADOS. ........................................
APÉNDICE E ...................................... .........................................
............................................
.........................
............................... APÉNDICE F ....................................
íNDlCE DE FIGURAS Figura 2.1 Adhesión durante el contacto de dos superficies.
Figura 2.2 Mecanismo de fricción según la teoría de adhesión Figura 2.3 Mecanismo del Desgaste de un Sistema Tribológico. ......................................... 19
Figura 2.4 Fresa de algodón par deposición. ....................................................................... 22
Figura 2.5 Modelo para la partición .de calor que se genera por fricción durante la
triboadhesión. ....................... 24 Figura 3.1 Esquema general del dispositivo. ........................................................................ 28
Figura 3.2 Fotografía del dispositivo diseñado para deposición. .......................................... 29
Figura 3.3 Fresas de algodón para deposición. ................................................................... 30
Figura 3.4 Motor neumático, instrumentado. ........................................................................ 31
................................ 17
.............................. 18
Figura 3.5 Torno. ................................................................................................................. 32
Figura 3.6 Cabezal divisor con adaptación de sujeción ........................................................ 32
Figura 3.7 Dispositivo para medir la fuerza normal. ............................................................. 33
34
34 Figura 3.10 Diagrama electrónico de acondicionador Dmd-465. .......................................... 35
Figura 3.11 Nacional Instruments DAQPad - 6020 E .......................................................... 36
Figura 3.12 Unidad alimentadora de material de aporte ....................................................... 36
............................................................. 37
..................................... 38
Figura 3.8 Transductor de fuerza (motor con galgas) ............................
Figura 3.9 Acondicionador de señal Dmd-465. ..........................................................
Figura 3.13 Tobera utilizada ....
Figura 3.14 Esquema del recuperador de polvo..
Figura 3.15 Ciclón recuperador de polvo. ................................................
Figura 4.1 Acondicionamiento para práctica. ............................................................
Figura 4.2 Práctica de deposición. ..................... ............................................ 41
.................................. 43 Figura 4.3 Rodamiento de rodillos SKF NU 1006 ... Figura 4.4 Rodamientos de prueba. ............. ..................................
Figura 4.5 Carga para deposición en rodamiento ............................................
Figura 4.6 Rodamiento de prueba montado. ............. Figura 4.7 Engrane de prueba
Figura 4.9 Espectro de vibración antes del recubrimi
Figura C.l Puente de Wheatstone completo ...................................................... 68
.................................. 45 .........................................................
Figura 4.8 Deposición en engrane ............................................ .................... ,48
Figura 4.10 Espectro de vibración posterior al recubrimiento ...................................... 50
-
íNDlCE DE TABLAS
Tabla 3.1 Componentes del dispositivo. ..............................
Tabla 3.2 Caracteristicas geométricas de la fresa. ............. Tabla 3.3 Propiedades del algodón de la fresa Tabla 3.4 Caracteristicas del motor neumático
Tabla 3.5 Caracteristicas del torno. ....................................
................................................. 30
Tabla 3.6 Especificaciones del acondicionador .................................................. 34
Tabla 3.7 Secuencia de conexión de acondicionador Dmd-465. .......................................... 35
Tabla 4.1 Propiedades del diamante. ................................................................................... 42
Tabla 4.2 Caracteristicas geométricas del rodamiento UN 1006 .......................................... 43
Tabla 4.3 Propiedades físico-quimicas del acero AIS1 52100 ................................................ 43
Tabla 4.4 Condiciones de prueba del rodamiento UN 1006 .................................................... 46
Tabla 4.5 Características geometricas del engrane. ............................................................. 46
Tabla 4.6 Propiedades fisico-químicas del engrane de acero AIS1 4140
Tabla 4.7 Condiciones de prueba en el engrane .................................................................. 48
Tabla B.l Velocidades de giro del torno y de la fresa ........................................................... 66
Tabla 8.2 Velocidades de giro del torno y de la fresa para prueba ....................................... 67
Tabla C.l Datos obtenidos de la calibración del transductor ...... ........................
íNDlCE DE GRÁFICAS
Grafica B.l Gráfico de las velocidades de la fresa y el torno. ............................................... 66
Grafica C.l Curva de calibración. ........................................................................................ 69
El problema de desgaste es un fenómeno que involucra mecanismos de adhesión, abrasión,
fatiga superficial, entre otros, y es una causa predominante de averías mecánicas en la
industria, lo cual se refleja en pérdidas económicas. Por lo que el uso de recubrimientos se
hace con fines de protección contra la corrosión, el desgaste, las barreras térmicas y la
reducción significativa de la fricción, siendo estas características esenciales para ofrecer un mejor desempeño de las piezas mecánicas [Rodriguez, Soriano 20001. Tomando estos datos
como base, cualquier investigación relacionada con la reducción de los efectos generados
por la fricción en los componentes de maquinaria está justificada.
En una evaluación dirigida por el Instituto de Tecnología Mecánica incorporado al EPRl
(Electrical Power Research Institute), se identificaron los factores que afectan a4as fallas de
los cojinetes del equipo y se establecieron frecuencias de falla dentro de la maquinaria de las
centrales eléctricas [Mechanical Tecnology, 19911. El reporte indica que la fatiga por capas
es el modo de falla predominante informado por las centrales nucleares (19%) y por las
plantas de carbón (22%). El sobrecalentamiento y la pérdida de lubricación suma el 52% de
todas las fallas de los cojinetes [Mechanical Tecnology, 19911. Otros estudios realizados
muestran que el 40% de los daños en motores eléctricos de inducción obedecen a
problemas en rodamientos generados por la fricción y el desgaste que ocasiona. [Martelo E.
20001
Un proceso de deposición es la aplicación de un determinado espesor de algún material para modificar las propiedades de la superficie. Los progresos en ciencia de materiales y en las tecnologias de vacío han permitido, en las dos últimas décadas, el desarrollo de procesos avanzados de recubrimiento cuyas características comunes son:
Capas delgadas de espesor controlado.
Diversa composición de los recubrimientos
Mejorar el desempeño de un producto.
Existen diferentes tipos de tratamientos superficiales, tales como temple, nitruración,
cromados, entre otros. Cuando se revisan las condiciones en las que van a ser utilizadas las
piezas mecánicas y alguno de estos procesos no permiten obtener las mejoras deseadas,
los nuevos tratamientos de implantación iónica, PVD, CVD, proporcionan soluciones
avanzadas y altamente rentables. [Pérez T.20031
En 1993 el Fisico E. Nagy [Soriano G. 20011, aprovechando los fenómenos que se producen
en el proceso de fricción, dio a conocer una técnica nueva para ' la producción de
recubrirnientos superficiales, la que se conoce como triboadhesión por fricción seca. Ésta,
consta básicamente de una herramienta conocida como fresa de algodón, que gira a
velocidades periféricas altas, y que pasa sobre la superficie del substrato a una distancia
critica, entre estos se adiciona el material de recubrimiento en forma de polvo.
Desde 1997 en el CENIDET, basados en la propuesta de Nagy, se realizan investigaciones
sobre la deposición en superficies planas por Triboadhesión. En 1997 J. M. Rodriguez L., inicio una investigación referente a recubrimientos por triboadhesión [Rodriguez L. 19971. Se
ha logrado depositar sobre superficies curvas como rodamientos o bujes con el diseño de un
dispositivo para realizar recubrirnientos por medio de fricción seca sobre superficies curvas,
con la técnica de deposición por triboadhesión es posible depositar una gran variedad de
materiales de aporte sobre diversos materiales base, sin el empleo de capas de anclaje.
[Rodriguez L. 1997, Robles S. 20001
Con base en los trabajos previos de recubrimiento en el CENIDET el trabajo que aquí se
presenta se realiza para disminuir algunas de las fallas generadas por el desgaste, con
énfasis particular en los rodamientos y engranes Utilizando para ello la triboadhesión, con diamante DLC como material de aporte.
CAPíTULO 1
ESTADO DEL ARTE
1.1 INTRODUCCI~N
En este capitulo se mencionan los antecedentes de los estudios que dieron pauta al
conocimiento de los procesos involucrados dentro del mecanismo de fricción seca: difusión,
adhesión y desgaste
1.2 ESTADO DEL ARTE
Las civilizaciones antiguas como egipcios, griegos y romanos ya empleaban la lubricación en
sus máquinas primitivas. El aceite de oliva era muy utilizado como lubricante para los
mecanismos de transporte y levantamiento de cargas. Los cojinetes de rodamientos
surgieron durante los tiempos romanos unos 200 años antes de Jesucristo. Desde esa época
y hasta sus mas modernas aplicaciones en lubricación de cojinetes de mecanismos
espaciales y los discos duros de los dispositivos de almacenaje magnético en computadoras
personales, ha sido necesario estudiar el mecanismo de fricción ya que es parte integral de
la actividad humana. [Morales E, 19771
La primera contribución registrada que trata acerca de la fricción es de Leonardo da Vinci,
quien hizo aportaciones a la comprensión del mecanismo de fricción. Él dedujo las dos leyes
que rigen la fricción hasta nuestros dias: la fuerza de fricción es proporcional a la carga e independiente del área de contacto [Dowson D, 19771; introdujo el concepto de coeficiente de fricción y lo definió como la razón de la fuerza de fricción a la carga normal. Además, reconoció el efecto benéfico de los lubricantes. [Dowson D, 19771
3
i
I
I t
I
I I 1
\
\ I
- En 1699 Guillaume Amontons realizó experimentos enfocados a determinar el
comportamiento de los cuerpos. Demostró cómo considerar la fricción en el comportamiento
de máquinas y estableció su concepto del mecanismo de fricción. El que atribuyó a la fuerza
requerida para levantar las asperezas superficiales de los cuerpos en deslizamiento.
[Dowson D, 1978, C]
Otro punto de vista del mecanismo de fricción pero enfocado a la adhesión de las superficies
lo proporciona Desaguliers. Él enfatiza la necesidad de considerar el efecto de la fricción
sobre el rendimiento de las máquinas. Su visión consistió en que las rugosidades
superficiales eran responsables de la mayor parte de la fuerza de fricción. Además, notó que
cuando las superficies en deslizamiento estaban muy pulidas la fricción aumentaba. [Dowson
D, 1978, C]
Años más tarde, las investigaciones se enfocaban al estudio de materiales que pudieran
emplearse como componentes de máquinas y como lubricantes en función de las
condiciones de operación de éstos, y así reducir los efectos de la fricción. [Dowson D, 1978,
Una forma particular del mecanismo de fricción es la fricción seca, ésta fue tratada por
Gustav Adolph Hirn, quien junto con Clausius, Joule y Rankine; son conocidos como los
fundadores de la Termodinámica aplicada. Su desarrollo más importante es haber
encontrado un equivalente mecánico entre calor y trabajo. Su interés en comprender la
relación entre estos dos fenómenos fisicos Io llevó a explicar la naturaleza de este. tipo de
fricción. Sin embargo, los trabajos de los cientificos Frank Bowden y David Tabor [Bull S, 19921, quienes al igual que Rabinowicz [Chandler K, . 19851, Archard, Greenwood y
Williamson [Chang W, 19881 proporcionarían mucha información para el entendimiento moderno de la fricción.
Otro enfoque al proceso de adhesión para explicar la fricción lo proporciona Ernest Rabinowicz [Robles S, 20001 con el concepto de Trabajo de Adherencia entre dos superficies. En su definición de adhesión, menciona que el trabajo de adherencia depende de la Energia Libre de Superficie. Además, encontró que esta propiedad no varia
significativamente en función de la temperatura siendo el mismo valor en el punto de fusión que en la fase liquida. Del mismo modo, sugiere que la energía de superficie de la mayoria
4
______ de los metales es aproximadamente dos veces mayor a temperatura ambiente que en el
punto de fusión en condiciones de vacío. Además, hace mención de un factor que influye al
trabajo de adherencia, la Compatibilidad Metalúrgica de los metales en contacto. Este término lo definió como la propiedad de aquellos metales que presenten un alto grado de
solubilidad mutua o que permitan la formación de compuestos inter-metálicos. [Soriano G, 20011
Una consecuencia de la fricción es el desgaste de los pares en contacto. El desgaste
involucra los procesos de adhesión, abrasibn y fatiga superficial. Las investigaciones
llevadas a cabo por gente como I-Ming Feng, Bowden y Tabor, Rabinowicz, Czichos,
Schallamach, Ernst H. y Merchant M. .E, Holm R, Archard y Kraghelsky, dieron como
resultado teorías y leyes de las diversas manifestaciones del desgaste, modelos
matemáticos representativos y métodos de medición de este proceso.
Como se mencionó, la adhesión es uno de los procesos del mecanismo de fricción La teoría
básica del trabajo de adhesión concierne principalmente al contacto entre una esfera y una
superficie plana. Esta configuración se adapta perfectamente al análisis de adhesión en
contacto con superficies rugosas que son generalmente modeladas por un grupo de
asperezas esféricas.
Como consecuencia de todos estos trabajos, en 1966 fue puesto un estudio a discusión del
Gobierno Británico por el Dr. H. Peter Jost. En ese año se evaluaron las causas que
generaban perdidas a las industrias de ese país. Los resultados de esta evaluación, fueron presentados en un documento llamado hasta hoy Reporte Jost. En este reporte, la palabra
Tribologia fue utilizada por primera vez y fue definida como: La ciencia y tecnologia de
superficies interactuando en movimiento relativo, y las prácticas relacionadas a ella. La Tribologia es una ciencia que produce grandes beneficios. Esta ciencia ha desarrollado un área multidisciplinaria que se complementa con las áreas de Física, Química, Matemáticas, Ingeniería Mecánica, Termodinámica, Mecánica del Medio Continuo, Ciencias de los
Materiales entre otras. Con ayuda de estas ciencias la Tribologia se encarga de estudiar los diferentes procesos de fricción. [Aguilar 19991
Los aspectos básicos de la formación de recubrimientos en superficies metálicas por fricción
surgieron en 1903 a causa de las investigaciones de Beilby dirigidas al pulido de metales. En 5
- - 1
- sus experimentos él observó que se producía suficiente calor en la superficie y se formaba
una capa que era fisicamente distinta de la masa del material. La presencia de esta capa de
Beilby, como se le llamó, fue confirmada más tarde por Cochrane en 1938, mediante el
análisis de los patrones de difracción de electrones a las superficies pulidas. [Dowson, 1978,
~
Mas tarde, Bowden y Tabor realizaron trabajos dirigidos a estudiar los efectos que el deslizamiento causa a la superficie, los cuales son: flujo de material, calentamiento de la
superficie, generación de defectos sobre la superficie, difusión. Ellos mencionan que estos efectos se extienden por debajo de la superficie a cierta profundidad dentro del material, de
manera que las propiedades mecánicas de un par que interactúa también contribuirán a la
naturaleza de las fuerzas interfaciales. Los experimentos realizados con varios metales deslizándolos sobre acero, indicaron que el flujo y transferencia de particulas depende de los
puntos de fusión de los materiales. [LÓpez M. 2001)
Respecto a fenómenos de la superficie, estudios orientados a comprender la física del
estado sólido, fueron hechos por Yakov llyich Frenkel y Walter Hans Schottky. Frenkel
predijo la formación de defectos de punto en sólidos, y encontró que a elevadas
temperaturas algunos átomos en una reticula cristalina obtienen bastante energía para
abandonar sus sitios y ocupar posiciones intersticiales. De igual manera, Schottky demostró
la forma en que las vacancias pueden ser creadas. Él explica que los átomos salen de sus posiciones y forman nuevos sitios reticulares sobre la superficie o imperfecciones internas
dentro del cristal, tales vacancias son llamadas defectos Schottky. Estos trabajos fueron el punto de partida de más investigaciones enfocadas al comportamiento y empleo de los materiales cristalinos y que, sin lugar a duda, ayudan a comprender la manera en que el
material de la superficie y dentro de ella se comporta durante la fricción. [López M. 20011
Basándose en estos principios de formación de recubrimientos, en la actualidad se busca la
manera de establecer las condiciones mediante las cuales se formen recubrimientos con
materiales que mejoren las propiedades de la superficie.
El uso de recubrimientos se hace con fines de protección contra la corrosión, el desgaste, las barreras térmicas y la reducción significativa de la fricción, siendo estas características
esenciales para ofrecer un mejor acabado en el maquinado de piezas. Por ejemplo, en la 6
1
I
vida cotidiana su aplicación se percibe en navajas de rasurar, herramientas de cirujano y
prótesis. [Espinosa, 20021
De acuerdo con Morales un tercio de la energía que se produce, se pierde por fenómenos
relacionados con la fricción. Por lo que es de-gran interés el estudio de la tribología con el fin
de reducir los efectos de desgaste por fricción. [Morales, 19971.
Los requisitos que la industria moderna impone sobre Útiles, herramientas y componentes
mecánicos obligan a realizar un esfuerzo constante en cuatro direcciones: empleo de nuevos
materiales, rediseño de los útiles, modificación de los procesos y empleo de tratamientos de
superficie avanzados. Esta última solución, cuando es posible, tiene la ventaja de ser la
menos traumática para los procedimientos de las empresas.
A pesar de que la experiencia en el estudio del rozamiento y el desgaste, sólo muy
recientemente se han podido dar las primeras descripciones científicas de los fenómenos
implicados a nivel atómico. Aunque se han identificado hasta seis mecanismos de desgaste,
los más comunes son el desgaste abrasivo y el desgaste adhesivo. [Rodriguez T. 20031
En el desgaste adhesivo la adhesión de las dos superficies en contacto es superior a la que
hay entre las capas superficiales del propio material. Se produce así un progresivo arranque
de material. Este fenómeno puede ser minimizado mediante una implantación de
recubrimiento en la superficie. En el desgaste abrasivo, partículas extra duras presentes
entre las dos superficies en contacto abren surcos y arrancan material de una o de las dos superficies. Cuando el fenómeno no es muy violento, con el desprendimiento de partículas
muy pequeñas o no muy duras a presiones no muy altas. La implantación iónica de la
superficie es una solución adecuada, pero cuando el fenómeno es más violento se requiere la protección de recubrimientos extra duros y bien adheridos. [Rodriguez T. 20031
La decisión de adoptar un tratamiento avanzado para determinadas piezas o componentes industriales debe venir precedida por un mínimo análisis que revise si las condiciones de trabajo, el diseño de la herramienta y el material del que esta hecha son los adecuados.
Además hay que preguntarse si entre los tratamientos convencionales de temple, nitruración, cromado, no hay alguno que permita obtener las mejoras deseadas [Pérez T. 20031.
7
. .
implantación iónica, PVD, CVD, proporcionari soluciones avanzadas y altamente rentables.
I !
aplazarla por los problemas organizativos
[Pérez T. 20031
Las siglas PVD corresponden a la expresiór Deposición Física de Vapor. Con este nombre
fisicos en contraposición a medios quimicos
fase vapor. Los recubrimientos se realizan
temperaturas de proceso medias (400°C) o o muy finas (clpm) de composición muy
que conlleva, los nuevos tratamientos de
I
'inglesa Physical Vapour Deposition, esto es,
se conoce a la técnica que emplea los medios
para obtener el material de recubrimiento en
erilcámaras de alto vacio (10-6 mbar), requieren I
bajas 400°C) y se obtienen capas finas (10um) I
cont.olable. [Ajona, 20031
Los procesos de pulverización conocido corio
evaporación, los átomos que constituyen el
blancos (metálicos o cerámicos) con iones de
V). Estos átomos pulverizados viajan hasta
en proporciones similares a las del blanco de
simultánea de dos o más materiales es posible
ternarios, etc. Los procesos de sputtering
de evaporación, pero tienen la ventaja de ser
Las siglas CVD corresponden a la expresiorim amplio conjunto de técnicas que tienen en obtener recubrimientos a partir de
recubrimientos se realizan en cámaras de
presión atmosférica. Requieren temperaturas ce obtienen capas delgadas ( I O pm) o relativamente controlable. [Gómez, 20031
sputtering: a diferencia de los procesos de
recubrimiento se obtienen bombardeando unos 1 un gas inerte (Argón) a baja energia (500-1000
las superficies próximas depositándose en ellas
partida. Otras veces, mediante la pulverización
producir capas de recubrimientos binarios,
tienen el inconveniente de ser más lentos que los nás limpios y versátiles. [Rodriguez T. 20031
inglesa Chemical Vapour Deposition, son un 'común el empleo de medios quimicos para
compuestos precursores en fase vapor. Los
mbar) o incluso a
de proceso altas (1000C) o medias (400C) y
incluso gruesas (0,l mm) de composición
i 1
I I
dacio medio o bajo
- . . Cronológicamente, los recubrimientos r por CV.D; son anteriores a las técnicas de PVD,
aunque su empleo no se ha extendido'tanto (al menos sobre herramientas acabadas) a
causa de las altas temperaturas que debían soportar las superficies. Esta situación está
cambiando con el progresivo desarrollo de los métodos de Plasma-CVD. [Bell, 19921
Como se mencionó anteriormente, fue en 1966 en Gran Bretaña, el primer intento de un
gobierno por evaluar el posible impacto industrial que se tendria con la aplicación correcta de
las prácticas tribológicas conocidas hasta entonces. [Aguilar 19991
Derivada de los vocablos griegos: tribos que significa frotamiento y logos que significa
estudio. La tribología es tomada como. una nueva disciplina científica, otra definición más
acercada a la realidad y a los parámetro actuales es: "ciencia y tecnologia que concierne a
las superficies que intervienen entre si durante el movimiento relativo, así como los
problemas más prácticos unidos a estos fenómenos" [Bell, 1992, Morales, 19971. Las ramas
de la Tribologia son tales como: procesos de fricción, .mecanismos de desgaste, selección de
materiales y lubricantes, métodos de medición de los fenómenos tribológicos. [Zygmunt,
19861
En 1993 el Fis. Nagy E. aprovechando los fenómenos que se producen en el proceso de
fricción, dio a conocer una técnica nueva para la producción de recubrimientos superficiales,
la que se conoce como triboadhesión por fricción seca. Ésta, consta básicamente de una
herramienta conocida como fresa de algodón que gira a velocidades periféricas altas y, que
pasa sobre la superficie del substrato a una distancia crítica, entre estos se adiciona el
material de recubrimiento en forma de polvo. [Soriano, 20011
Desde 1997 en el CENIDET (Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico), bajo la dirección del Dr. José Maria Rodriguez Lelis, basados en la propuesta de Nagy, se realizan investigaciones sobre la deposición en superficies planas por Triboadhesión. En
1997 J. M. Rodriguez L. [Soriano, 20011, inició una investigación referente a recubrimientos
por triboadhesión. La primera etapa de esta investigación consistió en corroborar la viabilidad del recubrimiento. Los materiales que se utilizaron fueron pintura para cemento y lámina de acero galvanizado como material de aporte y substrato respectivamente. En esta etapa se comprobó la factibilidad del proceso y se observó el gran potencial de la técnica utilizada.
-9
I Hasta el momento en el CENIDET tadbien se ha logrado depositar sobre superficies curvas
como rodamientos o bujes con el dis no de un dispositivo para realizar recubrimientos por
medio de fricción seca sobre superficies curvas. Se logró depositar diamante en cobre,
diamante en acero para rodamientos y Fe-75Si en r acero inoxidable AIS1 304. Se concluye
que con la técnica de deposición por triboadhesión es posible depositar una gran variedad de
materiales de aporte sobre diversos materiales base, sin el empleo de capas de anclaje, sin
aumentar las dimensiones de la pieza base. [Aguilar, 1999, Robles S. 2000., López, 2001,
Ramírez, 20011
J-' . . . I
Posteriormente, Rodriguez Ramirez evaluó el desgaste en rodamientos recubiertos por
triboadhesión, reportando una mayor resistencia al desgaste del 300% en comparación con
los no recubiertos [Rodriguez R. 20031. Derivado de este trabajo Eduardo Ramírez Flores,
realizó el estudio del desgaste en la superficie de contacto interno de chumaceras generado
por vibración mecánica, aportando información sobre los espectros de vibración en diversas
zonas de frecuencia.
Continuando la linea de investigación de los recubrimientos por triboadhesión, y aumentar la
tecnologia para el recubrimiento, el Dr. Jorge Colin Ocampo realizó un modelo experimental
en el proceso de recubrimiento de superficies por medio de fricción seca, donde presentó la
teoría para la estimación del número de particulas'que se depositan a través de la
generación de cavidades, con lo que permite determinar los parámetros y condiciones,
mediante los cuales es posible incorporar particulas de un material de aporte en un material
base. [Colin, 20041
La finalidad de la presente investigación, es el desarrollar un dispositivo con el que sea
posible la deposición por triboadhesión en las pistas internas de rodamientos con diámetro interno a partir de 20 mm, en dientes de engrane con dimensiones pequeñas, y en otras piezas mecánicas, Con el prototipo de deposición para piezas mecánicas pequeñas, se abre
la posibilidad de recubrir piezas como flechas Cardan, cajas de velocidades, cajas
diferenciales, engranes comerciales de diferentes dimensiones y rodamientos, tanto en la pista interna como externa.
. , I
PROCESO DE TRIBOADHESIÓN
CAPíTULO 2
2.1 ANTECEDENTES
De acuerdo a las investigaciones realizadas en los recubrimientos de superficiales, se
propone que numerosos problemas de desgaste producido por la fricción, pueden ser
resueltos satisfactoriamente con el empleo de la técnica de triboadhesión.
La importancia de los equipos mecánicos, y las pérdidas económicas causadas por fallas en
elementos de éstos equipos, a causa de la fricción y el desgaste en rodamientos, y dado que
se ha recubierto en superficies planas y curvas, tal es el caso de placas planas y
rodamientos de tipo comercial [Soriano, 2001. Robles S. 20001, en la presente investigación
se propone aplicar recubrimiento por triboadhesión .en piezas mecánicas pequeñas, tales
como rodamientos y engranes, con radio de curvatura interior en el intervalo de 2 a 5 cm.
Los rodamientos se encuentran a menudo en máquinas de utilidad eléctrica de diferentes
caballos de fuerza. Desde un punto de vista de la confiabilidad, este pequeño equipo auxiliar
a menudo es una fuente de fallas de graves consecuencias.[ Martelo, 20001
En una evaluación dirigida por el Instituto de Tecnología Mecánica incorporada al EPRl (Instituto de Investigaciones de Potencia Eléctrica, Electrical Power Research Institute), se identifican los factores que afectan a las fallas de los cojinetes del equipo y se establecen
frecuencias de falla, dentro de la maquinaria de las plantas de producción de energía donde
se mencionaron tres tipos de rodamientos: cojinetes de balines, cojinetes de rodillos y cojinetes de rodillos estrechos. Valsh, 19911
La fatiga por capas es el modo de falla predominante en los rodamientos reportado por las
centrales nucleares, (19%) y por las plantas de carbón (22%) Las fallas por fatiga ocurren 11
- o % - s o 9 8
principalmente como resultado de la sobrecarga:. La combinación de fallas por pérdida de
lubricación y por sobrecalentamiento, más comunes.en los cojinetes de grasa comprimida,
suman el 21% de todas las fallas. El sobrecalentamiento y la pérdida de lubricación suma el
52% de todas las fallas de los cojinetes. [Walsh, 19911
En los engranes por su parte, la falla predominante es en la zona de la cabeza de diente,
que es la que transmite fuerza y movimiento. Por lo que una combinación de fallas en
rodamientos y engranes en una maquina, provocarían daños severos en una planta a causa
del paro de la maquinaria.
Como alternativa para mejorar el comportamiento del material de estas piezas mecánicas, se
propone recubrir con la técnica de triboadhesión utilizando para ello un material que mejore
las propiedades del material base.
El Diamante natural, tiene propiedades tales como, dureza, módulo elástico,
incomprensibilidad, conductividad térmica y excelentes puntuaciones en muchas otras
propiedades como son el coeficiente de dilatación, fricción, transparencia, inercia química,
gap electrónico y aislante eléctrico. La alternativa más inmediata al Diamante natural es el
llamado Carbono tipo Diamante y es el material de. aporte que se prevé utilizar para éste
trabajo, también conocido como DLC. El Diamond Like Carbon o DLC; se trata de capas de
carbono amorío, esto confiere a este material unas propiedades intermedias entre las del
Grafito y del Diamante. Desde el punto de' vista eléctrico es aislante y del punto de vista
mecánico las propiedades del DLC son cercanas a las del Diamante natural, por lo que el
DLC es un sustituto del Diamante. [Rodriguez T. 20031
Con base en las propiedades del diamante DLC, se propone que es viable para reducir los
efectos de la fricción y el desgaste en rodamientos, mediante la técnica de triboadhesión.
- - 2.2 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA TRIBOADHESIÓN
MECANISMO DEL PROCESO
La tribolologia es la ciencia y las aplicaciones. e la fricción, la lubricación y el desgaste. Se
le relaciona con la Ingeniería Mecánica,' Quimi I a, la Física y los materiales. Desde el punto
de vista de la ingenieria, generalmente el interés se basa en encontrar soluciones a la
fricción y al desgaste por medio de prueba y error en laboratorio. Desde un punto de vista
tribológico, se trata de entender las interacciones básicas entre las superficies en movimiento
relativo. [Andersson, 20041
Los parámetros que están involucrados con el fenómeno tribológico se tratan en el resto del
capítulo.
FRICCI~N
El Ing. Francés Amonton estableció, en 1699, las leyes sobre fricción, inscribiéndolas de la
manera siguiente:
Primera ley. La fricción es independiente del área de contacto entre los sólidos.
Segunda ley. La fricción es proporcional a la carga entre las superficies. [Robles S. 20001
La segunda ley de fricción define un coeficiente de fricción y establece que .la fuerza de
fricción es proporcional a la carga normal [López, 20011. Esto significa que para algún par de
superficies, la razón de fricción con respecto a la carga es constante, es decir:
F P = - N
donde P Coeficiente de fricción (adimensional)
F Fuerza de fricción (Newtons)
N Carga normal aplicada (Newtons)
I
13
De donde podemos decir que la Fricción;
deslizándose en dirección de una interface
eg~.,la' resistencia al movimiento de cuerpos
coriun.
se reduce. [Anderson, 20041
características del fenómeno de triboadhesióri,
instantánea de calor por fricción. [Whithouse,
Para que las superficies en contacto, se deslicen
fuerza de fricción para cortar las uniones
forman a causa de la adhesión, y de acuerdo
fricción.
esto, a partir del estudio de la generación 19701
en movimiento relativo, es necesaria una
inter-metálicas que de acuerdo a Rabinowicz se
con la teoría se tiene que para el coeficiente de
H Dureza de identación del material deformado (Pa)
- donde:
UP Energía potencial atómica
U,, Energía potencial media atómica
Los cambios en la distancia interatómica necesitan de una fuerza y un incremento de energia
potencial. La sobre posición de estas condiciones de energía, es una vibración térmica
inducida por el equilibrio de la energía cinética interatómica.
Los átomos de una superficie libre se encuentran en una posición energética menos
deseable: pierden a unos cuantos vecinos de modo que la distancia atómica alrededor de los átomos superficiales se incrementa con respecto a la de aquellos que están dentro del metal.
En consecuencia, la energía potencial se incrementa hasta ser U,.
U, Energía potencial atómica incrementada
AI separarse el contacto entre dos cuerpos, los átomos de ambos lados del plano de
separación sufren un cambio de una posición en la interface a una posición superficial libre.
En consecuencia, se presenta un cambio de energía por unidad de área de la interface, es
decir, de Up, a U p , +Upc, (los subindices 1 y 2 se refieren a los cuerpos 1 y 2). A este
cambio de energía se le llama energía de adhesión w a b . As¡ que podemos escribir:
y reescribiendo, de acuerdo a la nomenclatura que manejamos en el presente trabajo:
yaEnergia libre de superficie del cuerpo "a" (Jlm')
ybEnergia libre de superficie del cuerpo " b (J/m2)
Ya b Energía de superficie combinada (J/m2)
16
~
Por otro lado, se ha comprobado experimentalmente que el calentamiento friccional, trae
consigo un bajo coeficiente de fricción a causa del ablandamiento que sufren las superficies I en contacto. Con un incremento en la velocidad de deslizamiento, se produce un mayor
calentamiento friccional que puede producir ablandamiento de la superficie, o en caso
extremo fundición de la misma. Con estas condiciones, la fricción puede ser
extremadamente baja, a causa de la formación de una película deformada o fundida.
Tomando en cuenta todos los anteriores parámetros, la fricción es una combinación de
efectos de adhesión, deformación y ruptura de la superficie de los materiales. La interacción
relativa de estos componentes depende entonces de las condiciones del medioambiente, de la interface de deslizamiento y de los materiales en contacto.
AD H E s I ó N
En 1953 Archard presentó un modelo de desgaste por adhesión, en el cual tambien asumió
que el proceso de fricción de superficies en deslizamiento consiste en romper las uniones
que se forman en las asperezas superficiales. En su modelo, Archard consideró que la forma
de la partícula de desgaste que se genera es hemisférica, también que el contacto es
completamente plástico, y relacionó un volumen de material removido V con una distancia de
deslizamiento L, y con una área real de contacto A. phithouse, 19701
A partir de ese modelo, podemos definir a la adhesión como, la resistencia a la separación
de dos cuerpos en una dirección normal a la interface común.
Por otra parte, la adhesión entre dos cuerpos se relaciona con la energía potencial a nivel atómico.
Los átomos tienen a formar uniones entre si. Cuando la distancia entre los centros de
átomos adyacentes es aproximadamente igual al diámetro atómico, la energía potencial colectiva Up es minima, y se logra una situación termodinámica ideal.
u, = u p ,
15
17
. . ,.; . Por otro lado, se ha comprobado experimentalmente que el calentamiento friccional, trae
consigo un bajo coeficiente de fricción a causa del ablandamiento que sufren las superficies % en contacto. Con un incremento'en la velocidad de deslizamiento, se produce un mayor
calentamiento friccional que puede producir ablandamiento de la superficie, o en caso
extremo fundición de la misma. Con estas condiciones, la fricción puede ser
extremadamente baja, a causa de la formación de una película deformada o fundida.
Tomando en cuenta todos los anteriores parámetros, la fricción es una combinación de
efectos de adhesión, deformación y ruptura de la superficie de los materiales. La interacción
relativa de estos componentes depende entonces de las condiciones del medioambiente, de
la interface de deslizamiento y de los materiales en contacto.
ADHESI~N
En 1953 Archard presentó un modelo de desgaste por adhesión, en el cual también asumió
que el proceso de fricción de superficies en deslizamiento consiste en romper las uniones
que se forman en las asperezas superficiales. En su modelo, Archard consideró que la forma
de la partícula de desgaste que se genera es hemisférica, también que el contacto es completamente plástico, y relacionó un volumen de material removido V con una distancia de
deslizamiento L, y con una área real de contacto A. [Whithouse, 19701
A partir de ese modelo, podemos definir a la adhesión como, la resistencia a la separación
de dos cuerpos en una dirección normal a la interface común.
Por otra parte, la adhesión entre dos cuerpos se relaciona con la energia potencial a nivel atómico.
Los átomos tienen a formar uniones entre si. Cuando la distancia entre los centros de
átomos adyacentes es aproximadamente igual al diámetro atómico, la energía potencial
colectiva U, es minima, y se logra una situación termodinámica ideal.
15
- Por lo que podemos decir que cuando .una. unión:se rompe, una partícula de una superficie
se puede transferir a la otra, e interacciones de deslizamiento posteriores pueden desalojar la partícula transferida o dejarla fija en' una superficie. En el desgaste por adhesión se
descarta la idea de que se'eliminen átomos aislados de la superficie, es decir, se supone que
el desgaste se produce por eliminación'de fragmentos de material en la superficie. [Olvera,
20011
Inferaccinnes
Figura 2.1 Adhesión durante el contacto de dos superficies
Sin embargo la adhesión puede definirse en función del campo de interés y otros factores.
La adhesión básica o fundamental se define entonces como la suma de iteraciones
intermoleculares - las cuales pueden ser iónicas, covalentes, polar o de Van der Waals - entre los materiales. (Olvera, 20011
La adhesión práctica es una medida de la fuerza requerida para efectuar la separación entre
dos materiales adheridos. La adhesión práctica también se le conoce como fuerza de unión o fuerza de adhesión, y se mide en términos de fuerza por unidad de área, fuerza por unidad de longitud, trabajo de energía por unidad de área requerida para alterar la interface entre
dos materiales. [Olvera, 20011
Asimismo, la adhesión es función de las propiedades de los materiales en contacto y condiciones de la interface tales como estructura cristalina, orientación cristalográfica,
solubilidad de un material en otro, limpieza de la superficie, magnitud de la carga normal, temperatura, tiempo de duración del contacto y distancia de separación. [López. 20011 -
17
En el oroceso de la triboadhesión, la adhesión también se ve afectada por el area real de
contacto, la cual es función de la carga normal y las rugosidades superficiales. Para que se genere fricción, los enlaces que se forman por la adhesión se deben romper, esto facilita el
deslizamiento entre las superficies, como se ilustra en la figura 2.2. A mayor fuerza de
adhesión, se requiere mayor fuerza tangencia1 o combinada para iniciar el deslizamiento y viceversa. [López, ZOOI]
Cuerpo en movimiento
nkces rotos
.. Cuerpo fijo
Figura 2.2 Mecanismo de fricción segun la teoría de adhesión.
DESGASTE
El desgaste se define como la pérdida de material de los cuerpos, a causa de la acción
mec,ánica. La remoción de material y los cambios de la superficie, son causados por la fuerte
adhesión que existe de las uniones y la dificultad para romperlas. Cuando dos materiales de
diferente dureza están en movimiento relativo. El material menos duro sufre esfuerzos que
exceden su límite de fluencia y cede, como consecuencia se desprende y transfiere material
de la superficie suave a la dura. [López, 20011
Hay un número de procesos tales como adhesión, abrasión y fatiga superficial. que están involucrados dentro del desgaste de materiales. A causa de estos diferentes procesos de
contacto que ocurren entre cuerpos con movimiento relativo, existe el cambio de las caracteristicas geometricas y la pérdida del material de alguno o ambos cuerpos. [López,
20011
18
Mecanismo del Desgaste , carga
Elementos del sistema (I) Superficie fija p) Superficie en movimiento fl) Interface
) Medio Ambiente
I
/
L- Mecanismo de Desqaste Fatiga Superficial Abrasión Adhesión Corrosión
Características del Desqaste Transferencia de Material Cambio en la morfalogia superficial
Figura 2.3 Mecanismo del Desgaste de un Sistema Tribológico
En general hay dos formas para describir el mecanismo del desgaste, la primera se refiere al
comportamiento mecánico de los materiales; y la segunda lo describe en función de la
naturaleza química de los materiales. En casi cualquier situación es posible identificar el
mecanismo de desgaste principal, el cual es generalmente determinado por las propiedades
mecánicas, la estabilidad química del material, la temperatura dentro de la zona de contacto
y las condiciones de operación. [López, 20011
Como se mencionó anteriormente, Bowden y Tabor explican que, para que dos superficies
que entran en contacto, se deslicen, las uniones formadas en las asperezas superficiales durante el contacto se tienen que romper y entonces el desgaste puede definirse, como el cambio acumulativo en las dimensiones de las superficies en contacto, a causa de la
eliminación gradual de partículas por acción mecánica o química en las superficies durante un deslizamiento relativo. (Tabor, 1977)
__
2.3 DESCRIPCI~N DEL PROCEDIMIENTO DE DEPOSICI~N
El proceso de Triboadheción emplea el mecanismo de fricción para la deposición de material
sobre una superficie. Este mecanismo es función de complejas interacciones entre los cuerpos que están en contacto, los cuales incluyen los efectos de deformación plástica de las asperezas, adhesión de los puntos de contacto y transferencia de material [Brady G. 19711. La complejidad del proceso de recubrimiento por Triboadhesión se aprecia mejor si se
reconoce que además de estos procesos, participan variables de los materiales base y de
aporte como son: dureza, módulo de elasticidad, resistencia de fluencia, estructura y
composición de la superficie a recubrir, .presión de contacto, temperatura, esfuerzos
inducidos sobre la superficie, velocidad de deslizamiento, acabado superficial, contaminantes y atmósfera ambiente. [Feng I. 1952, López, 20011
A causa de las interacciones que sufre la superficie, se genera energia, ésta se disipa en forma de calor y se pierde en dos diferentes regiones dentro de la zona de contacto. La
primera región es la interfacial caracterizada por elevadas razones de disipación de energia.
La segunda región involucra la masa del cuerpo y los volúmenes de material que están
sujetos a deformaciones. [López, 20011
Los procesos que suceden en la primera región durante la fricción son:
Deformaciones plásticas.
Deformaciones visco-elásticas que conducen a fatiga y flujo de la Superficie y subsecuentemente a calentamiento excesivo sobre el material subyacente y daño.
Cortante interfacial.
Degradación química.
Fusión superficial
Para el caso del proceso de Triboadhesión, se infiere que durante la deposición de material sobre la superficie se llevan a cabo cada una'de estas etapas, hasta alcanzar la fusión superficial en las zonas de contacto. (López, 2001]
20
Así, durante el proceso de la triboadhesión, gran número de pequeñas partículas pueden ser
adicionadas en la capa superficial distorsionada, sin embargo, el tamaño de las partículas es muy importante, ya que, aunque la fresa produce altas temperaturas instantáneas o de flash
localizadas, éstas son de muy corta duración, en estas condiciones, la coalescencia o fusión de las partículas de un tamaño relativamente grande no ocurrirá. Por el contrario, si las
partículas son de un tamaño relativamente pequeño, el metal alrededor de estas partículas
puede, por lo tanto, retener una estructura cristalina extremadamente fina. De esta manera
una capa superficial de un tamaño de grano relativamente pequeño, formando un nuevo
material amorfo, se forma y se mantiene estable. [Robles, 2000j
La triboadhesión es una técnica para la obtención de una película delgada de recubrimiento,
cuya función es mejorar las propiedades de los materiales que se utilizan como sustrato.
Esto se logra adicionando material de aporte en forma de polvo, con diferentes
características fisicoquímicas al material base.
Las principales variables que gobiernan el proceso de triboadhesión son: la velocidad relativa
entre las superficies, la carga normal que se aplica durante el proceso, así como la cantidad
del polvo suministrado. [López, 2001)
Tomando en cuenta que los diferentes modelos para el cálculo de temperaturas señalan que
el incremento de temperatura esta en función de la velocidad y la carga aplicada al sistema.
[Rodriguez L., Soriano, Colin, 20001 El proceso de triboadhesión consiste. en aprovechar el
movimiento relativo entre las superficies, una de ellas es una fresa de algodón que gira con
sentido contrario al avance del sustrato, para así alcanzar entre ambas superficies una velocidad tangencial relativa, que esta en el rango de 210 mis a 250 m/s de acuerdo a la
literatura.
Por lo que para lograr el recubrimiento de piezas mecánicas pequeñas y rodamientos, se
debe considerar la velocidad tangencial de la fresa y la velocidad de avance del sustrato.
Figura 2.4 Fresa de algodón par deposición
En la zona de contacto que llamamos interface, se suministra material de aporte en polvo,
donde por la carga y la velocidad as¡ como el coeficiente de fricción, se genera calor en la
interface.
GENERACIÓN DE CALOR
El calor que se genera por fricción, excita energéticamente la superíicie del sustrato donde
se depositan las particulas de polvo, logrando de ésta manera un nuevo material. Con este
proceso no se modifica la geometría del material base y no requiere de capas previas de anclaje para.una correcta deposición.
Por lo que con el método de la deposición por triboadhesión, se puede prácticamente depositar sobre cualquier material, tomando en cuenta el área real de contacto, la carga
normal aplicada, y la velocidad tangencia1 para producir deslizamiento y generación de calor, así las condiciones de plasticidad en el contacto se exceden y se genera un gradiente
térmico que podemos llamar friccional. [Whithouse, 19701
Entonces se tiene que el calor generado en la interface por efecto de la fricción, la carga y la
velocidad relativa es:
Q=@v . Calor que se genera por fricción en la interface
22
-
Si la velocidad es alta, en comparación con una fuente fija de calor, se puede entonces ignorar el flujo lateral de calor y es por lo que se trata como un flujo de calor lineal.
9 Flujo de calor
erfc a Difusividad térmica
Función error complementaria, o función de probabilidad
La función L o número de Peclet es una función adimensional de la velocidad que nos dice
que, si la velocidad es alta, no hay tiempo suficiente para distribuir la temperatura en el
sustrato. La velocidad a la que ocurre el fenómeno entonces se relaciona con el parámetro
adimensional de velocidad.
Por lo que para este proceso de generación de calor por fricción entre dos piezas con
movimiento relativo entre sí, los parámetros adimensionales de la velocidad son los que
denotan la generación instantánea de calor.
donde
L a Difusividad térmica
r Radio de cuerpo
V Velocidad de cuerpo
Número de adimensional de Peclet
En este tipo de sistemas en contacto con deslizamiento el calor se presenta por efecto de la fricción y se genera una partición de calor. Por las propiedades fisicas de la fresa y el sustrato, es el sustrato quien mayor calor recibe de la partición de calor.
23
. .
La función de partición de calor, nos permite calcular el calor generado para cada uno de los
elementos, a partir del calor total producido por la fricción, de acuerdo a una carga normal
aplicada y la velocidad total tangencial en el punto de contacto. En la zona de contacto que llamamos interface, se suministra material de aporte en polvo.
La función de partición de calor nos permite calcular el calor para cada uno de los elementos
a partir del calor total generado por la fricción de acuerdo a una carga normal aplicada y la
velocidad total tangencial en el punto de contacto, como ya se ha mencionado.
Figura 2.5 Modelo para la partición de calor que se genera por fricción durante la triboadhesión.
La fracción de calor que se transfiere a cada cuerpo es determinada a partir de la teoría de
que la temperatura superficial promedio es la del punto de contacto o de la interface del
sistema, el calor que se genera en la interface se divide entonces en diferentes proporciones
a cada uno de los elementos del sistema que están en contacto [Soriano, 20011, la función de partición de calor se considera Únicamente para la conducción normal de calor como:
a L,:
Función de partición de calor (adimensional)
Peclet de la fresa (adimensional)
~
c,, Calor especifico (J/Kg"C)
V Velocidad tangencial (m/s)
P Densidad del material (Kg/m3) '
La función de partición de calor nos permite calcular el calor para cada uno de los elementos
a partir del calor total generado por la fricción de acuerdo a una carga normal aplicada y la
velocidad total tangencial en el punto de contacto. [Colin, 20041
Q, N Carga normal aplicada (Newtons)
P Coeficiente de fricción (adimensional)
v"r
Calor total generado por fricción (W)
Velocidad tangencial media de la interface (mk)
De acuerdo a la teoría, y tomando en cuenta los anteriores parámetros, se tiene que para
calcular el calor en la fresa, se debe tener en cuenta la partición de calor, obteniendo la
siguiente ecuación:
De igual forma se tiene que para el calor distribuido hacia el sustrato
Es a partir de las anteriores expresiones que, para expresar la temperatura superficial promedio e,,, como una función del número de Peclet (L), y el calor superficial de cada
elemento (Q, y Q,) se tiene la siguiente ecuación para la superficie del sustrato
y de de igual manera se obtiene para la fresa de algodón
Resumiendo, podemos decir que el calor generado por la fricción depende de la carga
normal aplicada. Pero cuando la velocidad relativa es cero, los números adirnensionales de
Peclet no tienen influencia en el proceso. [Colin, 20041
Por lo que para este proceso de generación de calor por fricción entre dos piezas con
movimiento relativo entre sí, los parámetros adirnensionales de la velocidad son los que
denotan la generación instantánea de calor.
En conclusión, la generación de calor por fricción se produce en la interface, en donde la
fricción depende de las interacciones del material base con la fresa, tomando en cuenta la
carga normal aplicada, las asperezas superficiales y la velocidad tangencia1 para ocasionar
una deformación plástica.
Cuando, por el calor superficial en el sustrato, se alcanzan las temperaturas críticas
deseadas, se logra el reblandecimiento del material y es cuando se suministra el material de
aporte en polvo que se utilizara para el recubrimiento.
En la presente investigación, se calcularon las diferentes temperaturas que necesitan para
alcanzar las condiciones de deposición, en acero para rodamientos y acero para maquinaria;
fue a partir de dichas condiciones que se eligieron los componentes del dispositivo, tales como velocidades que debe desarrollar el motor de arrastre de la fresa, velocidad del
sustrato y diseño del dispositivo para el suministro de la fuerza normal.
26
~
CAPíTULO 3
DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO PARA LA DEPOSICIÓN POR TRIBOADHESIÓN EN PIEZAS MECÁNICAS PEQUEÑAS.
3.1 INTRODUCCI~N
En este capitulo, se describen los componentes que se utilizaron en la realización del
dispositivo para la deposición por el método de triboadhesión, utilizando como material de
recubrimiento, DLC (Diamante tipo sintético), asi como las caracteristicas de los componentes de tipo comercial que se integraron al equipo, para un mejor desempeño del
mismo.
3.2 DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO DE DEPOSICIÓN
El proceso de deposición por triboadhesión, como ya se mencionó, consiste básicamente en
suministrar polvo del material que se quiere depositar, entre la fresa de algodón y la superficie del material que se quiere recubrir; ambos con movimiento relativo entre sí.
En el presente trabajo se aplica el proceso de triboadhesión a rodamientos de tipo comercial y a dientes de engranes.
El dispositivo diseñado se esquematiza en la figura 3.1, y se observa en la figura 3.2. Los principales componentes del dispositivo se enlistan en la tabla 3.1.
27
c
Motor neuniatico en su base Ciclon recuperador de
nea de suministro de
Torno (sujeccion de piezas)
’ POh’O
Motor neumático
I Fresa de algodón
Torno Paralelo Cabezal divisor Universal I Recuperador de polvo
I Tobera ~
[Base de motor ’
Sensor de fuerza
Tarjeta de adquisición - Dispositivo Lalimentador
Figura 3.1 Esquema general del dispositivo I
Función Especificación
Proporcionar el giro a la fresa de deposición. Comprado
Realizar la deposición. I Fabricada
Comprado
Comprado
Fabricado
Fabricada
Proporcionar giro y sujeción a los rodamientos, así como servir de bancada de sujeción. Sostener y girar los engranes para deposición. Recuperar el polvo que no se aplica en el proceso. Suministrar el material de aporte en polvo.
I
Fabricado Soporte de motor neumático y suministro de carga a la fresa.
I Sensar la fuerza aplicada para la deposición I Fabricado
Excitar el sensor de fuerza y amplificar la señal.
Interface del sistema adquisidor de datos y la PC.
Existente
Existente
Suministrar y dosificar el material de aporte Tabla 3.1 Componentes del dispositivo.
Existente
Figura 3.2 Fotografia del dispositivo diseñado para deposición
FRESA ROTATIVA
Durante el proceso de fricción de la fresa con el sustrato, se pueden alcanzar temperaturas
de fusión en el sustrato, en un espacio del orden de micras. [Rodriguez L., Colin, Porcayo,
Lopez, 20011
Para alcanzar la temperatura de fusión del sustrato, se requiere de la interaccion de la fresa
y la superficie del sustrato, donde se requieren velocidades tangenciales del rango de 210 a
250 mls de acuerdo a Robles Solís [Robles, 20001. Para alcanzar ésta velocidad se
realizaron los cálculos para conocer el tamaño de fresa necesario, los cuales se pueden
observar en el apéndice B.
I
Las fresas que se utilizaron en el dispositivo son de algodón natural con diámetros que pueden variar de acuerdo al diámetro interior de la pieza que se recubrirá Fabricadas en tela
unida por costura entre si, sin material adhesivo como se han realizado en trabajos previos.
Para nuestro caso, se utilizaron dos fresas, una para recubrir rodamientos y otra para
recubrir los dientes de engranes. Los parárnetros geométricos de las fresas que se utilizaron para las pruebas de recubrimiento se muestran en la tabla 3.2.
- 29
18 rnm 9 5 mm 20 rnm 1 Rodarnientos I Engranes 15 mrn 4 2 mm 20 mm R
Las propiedades del algodón con que se fabricaron las fresas para deposición, se muestran en la tabla 3.3
It Material I ALGOD6N 11 Condición
Conductividad térmica (J Im s O K )
1300 11 11 Capacidad calorifica (J I kg O K ) I
11 Resistencia a la fluencia (GPa) ¡ 882.87 11 Temperatura de fusión ( O K )
Tabla 3.3 Propiedades del algodón de la fresa.
En la figura 3.3, se muestran las fresas antes de ser utilizadas en el proceso de deposición.
Figura 3.3 Fresas de algodón para deposición
30
II
SISTEMA DE ROTACIÓN DE LA FRESA
Presión de Boquilla Diámetro del trabajo motor
A partir de las necesidades de rotación de la fresa para alcanzar la velocidad tangenciai,
como se observa en el apéndice B, es que se requirió de un motor que suministrara velocidades de rotación a partir de las 10 O00 rpm, por lo que se adquirió un motor
neumático tipo "Moto-tool de precisión" marca "TTC", modelo TG-1 IA , las caracteristicas del motor se observan en la tabla 3.6. Con el.alcance de 54 O00 rpm, se cumple la necesidad de giro para al fresa.
Peso Longitud
I 90 PSI - 6.33 Kg 118" - 3.175 mm 0 . 6 - 15.24 mrn I g: I 52"-132.08 mm I I I I I I I
Tabla 324 Caracteristicas del motor neumático.
La fresa se montó directamente al motor sobre un poste de 3.175 mm, y este al mandril del
motor.
Figura 3.4 Motor 'neumático, instrumentado
SISTEMA DE ROTACIÓN PARA RODAMIENTOS
Tomando como base los calculos de la velocidad relativa, como se observa en el apéndice B, Se adquirió un torno paralelo marca "Mc Lane", modelo BVZOEL-1, que proporciona el movimiento de rotación y la sujeción al rodamiento que se ha de recubrir. Con las siguientes características:
31
Figura 3.5 Torno.
SISTEMA DE ROTACI~N DE ENGRANES
Se utilizó en el presente trabajo un cabezal divisor universal para realizar la deposición,
simulando el mismo movimiento que se realiza al tallar los dientes de un engrane.
La elección del cabezal divisor se realizó en base al ancho de bancada del torno, y a la
capacidad de realizar la división para cualquier tipo de engrane, ya sea por división directa o
indirecta.
Figura 3.6 Cabezal divisor con adaptación de sujeción
32
SISTEMA DE MEDICI~N DE FUERZA NORMAL
El sensor de fuerza está compuesto por galgas extensométricas, en arreglo de puente de
Wheatstone completo, montadas sobre el cuerpo del motor neumático.
Con motivo de las altas velocidades de giro requeridas para la fresa, y evitar un acoplamiento con un transductor que pudiera generar vibración o disminución de velocidad,
el motor se instrumentó como transductor de fuerza. La colocación de las galgas
extensométricas, se realizó tomando como base un análisis de esfuerzo deformación, del
motor, con respecto a la carcaza. Para la medición de la fuerza normal que se debe aplicar,
se seleccionó un transductor tipo viga para trabajar en cantiliver, con medio puente a tensión y medio a compresión para censar las cargas a flexión. El diseño, el cálculo y la calibración
del transductor se detalla en el apéndice C.
El motor se montó en una base con tornillo sinfín, que proporciona movimiento ascendente y
descendente, para posicionar y aplicar la fuerza de trabajo sobre el sustrato.
La excitación a los extensómetros se realizó con un acondicionador de señal y se trató con
una tarjeta de adquisición de señales de Labview, para ser analizada en una PC.
Figura 3.7 Dispositivo para medir la fuerza normal.
33
Figura 3.8 Transductor de fuerza (motor con galgas)
SISTEMA ADQUISIDOR DE DATOS
La excitación eléctrica de las galgas extensométricas se realiza con un acondicionador de
señal de la marca "Omega", modelo "DMD- 465". Este dispositivo también llamado sensor de
puente, contiene un amplificador diferenciado de la instrumentación de la precisión con
salida del voltaje y suministra la corriente necesaria para excitar el puente extensométrico.,
Este módulo realiza la función de acondicionar la señal para que sea tratada posteriormente.
Las caracteristicas del acondicionador DMD - 450 se especifican en la tabla 3.6
a los extensónietros ajustables
I I I Tabla 3.6 Especificaciones del acondicionador. I
Figura 3.9 Acondicionador de señal Dmd-465.
El esquema electrónico del acondicionador es como se presenta, de acuerdo a datos
proporcionados por el fabricante
Figura 3.10 Diagrama electrónico de acondicionador Dmd-465
El orden de conexión para el arreglo de puente completo es el especificado en la tabla 3.7:
Terminal Strip Assignments Screw Function Function Screw
Terminal Terminal -SENSE OUTF iiT
2 e- 9 AMFLIFII
I 4 I a t I 11 I .INPI IT I
I ~ I I . . . , .. -. .
I NOT CISED I 'I 2 I . EXT. GAIN I; A2 : .. I EXT. GAIN 5
.. <,
I I Ac, I I I 7
Tabla 3.7 Secuencia de conexión de acondicionador Dmd-465.
La señal proveniente de las galgas se obtiene en milivolts, por tal motivo se tiene que
amplificar la señal para realizar el análisis de la misma. La señal una vez amplificada, se envia a una tarjeta de adquisición de señales National Instruments modelo "DAQPad - 6020
E" con salida por USB a 100 kSls., la cual se observa en la figura 3.11, y por ultimo a la PC
via puerto USB para que sea almacenada y procesada, asi como su despliegue en pantalla, para poder censar la carga y aplicarla sobre el sustrato.
35
Figura 3.11 Nacional Instruments DAQPad - 6020 E
DISPOSITIVO ALIMENTADOR (DOSIFICADOR)
El dispositivo que se utilizó para la dosificación del polvo para el recubrimiento; es el ya
utilizado en trabajos anteriores, tales como el trabajo de Robles Solis, y consta básicamente
de: contenedor de polvos, gabinete de control, motor vibrador y flecha de arrastre de polvos. Cada uno de los elementos fue diseñado previamente y por el buen desempeño del
dispositivo se utilizó sin modificaciones.
Figura 3.12 Unidad alimentadora de material de aporte
TOBERA DE SUMINISTRO DE POLVO
Con el fin de proporcionar una mejor deposición, se desarrolló una tobera de suministro de
material de aporte, esto con el fin de mejorar el suministro de material, la fabricación se
realizó en material acrílico, y los planos de la misma se pueden consultar en el apéndice F.
Figura 3.13 Tobera utilizada.
RECUPERADOR DE POLVO
Como una solución para la recuperación del material de aporte que no se aplicaba sobre las
piezas que se trataban, y que se desperdiciaba al quedar suspendido en el medio ambiente,
se diseño un dispositivo para la recuperación del polvo de aporte, basado en las cámaras de choque para la separación de materiales.
El funcionamiento de este tipo de dispositivo es que, cuando el aire cargado de polvo entra
tangencialmente por la parte superior cilíndrica, la corriente de aire sigue una trayectoria en
espiral que, primero se dirige hacia el fondo del tronco de cono, ascendiendo después por el centro del mismo. El aire, una vez depurado, abandona el ciclón por la parte superior. Las partículas separadas se descargan por el fondo del ciclón, como se esquematiza en la figura
3.14.
- - 37
1
I l d r de paivo
Figura 3.14 Esquema del recuperador de polvo
Figura 3.15 Ciclón recuperador de polvo
Los cálculos y dimensiones del recuperador de polvo se pueden consultar en el apéndice D.
38
I1
CAPíTULO 4
PROCEDIMIENTO DE DEPOSICIÓN Y PRUEBAS EXPERIMENTALES
4.1 INTRODUCCI~N
En este capitulo se describe el desarrollo de las pruebas experimentales, con las que se
comprueba el desempeño del prototipo para recubrimientos de piezas mecánicas pequeñas,
y que se realizaron en diferentes substratos para recubrimientos, así como el criterio de
selección de dichos materiales, el material de aporte y sus caracteristicac. De la misma manera se realiza un breve análisis de los resultados obtenidos.
4.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES
Las condiciones para lograr la deposición en los rodamientos y en los dientes de engrane
son similares, para formar el recubrimiento es necesario que se alcance la temperatura
critica del material en la zona de contacto. Las circunstancias son diferentes ya que durante
el proceso de triboadhesión, los parametros de velocidad y carga por los que se lleva a cabo
el proceso varían. En los rodamientos se utiliza la velocidad relativa entre la fresa y el sustrato, donde ambos giran en sentido contrario. En los engranes, solo la fresa es la que proporciona la velocidad tangencia1 necesaria para lograr el recubrimiento, similar el movimiento al desarrollado en el recubrimiento de superficies planas.
En la presente investigación se recubrieron los rodillos radiales de un rodamiento y los
dientes de un engrane a diferentes intervalos de tiempo, utilizando la misma fuerza normal
para ello.
DESARROLLO DE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES
Para poder realizar las pruebas experimentales de deposición, se debe realizar el ensamble del dispositivo en general. Como a continuación se describe:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Se acondiciona el recolector de polvo conectandolo al motor aspirador y colocando la
boquilla recolectora en el lugar de la deposición. Se coloca en posición el motor con la fresa ya montada, según sea el caso, para
recubrir engranes o rodamientos.
Se conecta el motor a la línea de suministro de aire y se regula la presión de acuerdo a las especificaciones del fabricante.
Se acondiciona el dispositivo suministrador de polvo a las presiones ya establecidas,
Se conecta y se adquiere señal del transductor con el acondicionador de señal y la
interface de Labview a la PC.
Se realiza la deposición en rodamientos o dientes de engrane según sea el caso.
Figura 4.1 Acondicionamiento para práctica
40
Figura 4.2 Práctica de deposición
SELECCIÓN DEL MATERIAL DE APORTE
En trabajos previos, se observó que con partículas con rangos entre 1- 15pm se obtienen buenos recubrimientos, por lo que se seleccionó un material de aporte de DLC con tamaño
de partícula de O - 10 pm. [Ramírez F. 20041
El uso de recubrimientos permite que materiales convencionales como el acero puedan ser
utilizados de manera eficiente al incrementar el tiempo de vida útil de piezas o elementos
mecánicos. La selección del tipo de recubrimiento depende en gran medida de las
propiedades supeficiales que se desean obtener, las cuales se proporcionan por el material
de aporte y pueden ser: dureza, resistencia al desgaste y resistencia al ataque químico.
[Ramírez F. 2004)
Las propiedades y el costo del DLC lo hacen el sustituto ideal para el diamante natural. En trabajos previos, se ha utilizado con buenos resultados por lo que el uso del DLC se justifica,
las caracteristicas del DLC se pueden observar en la tabla 4.1, comparándolo con otros materiales que observan buenas propiedades para referencia.
41
1
Tabla 4.1 Propiedades del diamante.
SELECCI~N DEL MATERIAL BASE
El criterio de selección de los materiales sobre los cuales se realizaron las pruebas, fue la
validación del desarrollo del dispositivo para recubrir piezas de dimensiones pequeñas, con
el fin de lograr el desarrollo de la tecnología para recubrir piezas comerciales. La utilización
de piezas de uso comercial es con el fin de aplicar la tecnología a fines prácticos, al igual
que al utilizar estas piezas se obtiene una buena repetibilidad de la deposición.
Las características de los materiales que se utilizaron se describen en las siguientes
secciones, al igual que la forma de en que se realizaron las prácticas.
RODAMIENTOS En el caso de rodamientos, el desgaste depende en gran medida del coeficiente de fricción y
la dureza; es por ello, que el diamante es un material importante para este propósito, ya que
ofrece las características requeridas para reducir la fricción e incrementar la resistencia al
desgaste.
Los rodamientos se fabrican de aceros templados y aceros cementados. Los aceros templados contienen aproximadamente un 1% de carbono y un 1.5 % de cromo, mientras los
aceros cementados tienen un contenido de carbono de alrededor de 0.15 %. [Ramírez F.
20041
Por su parte Ramírez Flores, en su trabajo de tesis, utilizó rodamientos de rodillos radiales de acero AIS1 52100, y la designación que proporciona SKF es NU 1006, del cual se muestra
42
la geometría en la figura 4.3, las características geométricas en la tabla 4.2, y las
características físico-químicas se presentan en la tabla 4.3.
Diámetro exterior Diámetro de pista interna
Figura 4.3 Rodamiento de rodillos SKF NU 1006
Diámetro de los rodillos Numero de rodillos
36.5125 mm 36.474 mm 14 5.7 mm
Material AIS1 52100 Endurecido
La utilización del rodamiento SKF NU 1006 se realizó con base en las dimensiones de un rotor experimental ya existente, en donde posteriormente se podrán realizar pruebas, otra consideración para la selección del rodamiento CKF NU 1006 es la facilidad de retirar la pista
interna, para poder realizar las pruebas de deposición. (Ramirez F. 20041
43
Figura 4.4 Rodarnientos de prueba
DEPOSICIÓN DE DIAMANTE EN ACERO PARA RODAMIENTOS De acuerdo a los datos arrojados por las investigaciones realizadas con anterioridad, se
empleó una fuerza normal promedio de 0.35 N entre la fresa y el substrato, en el contenedor
de polvo una presión de 0.2 Kg. lcm2 y una presión de arrastre de 0.1 Kglcm’ con lo que se
obtiene un flujo másico de polvo de diamante de 1 gr./min.
Tomando como base el resultado de los cálculos para la generación de calor en la interface,
los parámetros de velocidad empleados para lograr una correcta deposición de diamante DLC en la pista interna del rodamiento, y en particular de los rodillos, fue una velocidad de
giro en el chuck de 127 rpm, y en la fresa de 40000 rpm.
Figura 4.5 Carga para deposicidn en rodamiento
La preparación superficial previa de los rodamientos consiste en una limpieza con alcohol isopropílico, y un desengrasante utilizado en la industria electrónica con este fin. Esta
44
preparación es para eliminar todo rastro de aceite con el que vienen de fábrica los rodamientos. [Ramírez F. 20041
Los rodamientos, ya limpios se montaron en el chuck de tres mordazas, que le proporciono
el giro necesario, siempre en sentido contrario al giro de la fresa.
La prueba se realizó recubriendo sobre los rodillos sin desmontarlos, utilizando una fuerza normal de 0.35 N en promedio, suministrando el polvo de aporte cuando la fuerza estaba aplicada, durante dos minutos consecutivos sin interrupciones, utilizando el avance
automático del torno, para una deposición homogénea. Las condiciones de la prueba se pueden observar el la tabla 4.4.
. . i ,'. .
Figura 4.6 Rodamiento de prueba montado
Una vez terminada las prueba, se limpió la pista interior con alcohol cepillando con brocha de
pelo, para retirar el polvo no depositado sobre la superficie. Posterior a la limpieza, se estableció una marca en el rodamiento y se ensambló con la pista exterior, para dejarle listo en espera de futuras pruebas metalográficas y de desgaste.
En la Tabla 4.4 se puede observar que la prueba presenta un recubrimiento perceptible a
simple visita. Por lo que podemos decir que la prueba resulto satisfactoria en primera instancia
1 Prueba I
Velocidad de la fresa (rpm)
Velocidad del sustrato, contrario a la fresa (rpm)
Polvo suministrado (grimin)
Tiempo de prueba
Valoración visual después de la limpieza
40000
127
10 5
120 seg
- 1
Solo los rodillos recubiertos I Superficies marcadas, con ligeras marcas de deposición más densas que otras Observaciones
Tabla 4.4 Condiciones de prueba del rodamiento UN 1006
ENGRANES Los engranes son dispositivos, que se utilizan para transmitir movimiento, son ruedas
dentadas fabricadas en acero, con caracteristicas de acuerdo a las necesidades específicas de utilización.
La selección de engranes para realizar el proceso deposición, se tomó en base al tamaño de
diente y al numero de estos, el material base de estos engranes fue acero AIS1 4140 tratado.
Las características de los mismos se obtuvieron de información proporcionada por el
fabricante del motor con reductor por engranes, este motor comercial trabaja a 120 revoluciones por minuto, y se utilizó para realizar la prüeba de deposición en piezas de tipo
comercial. Las caracteristicas geométricas del engrane de prueba se observan en la tabla
4.5, y las caracteristicas fisicoquímicas del material de engrane, de acuerdo al fabricante se
observan en la tabla 4.6.
h 36.5125 mm 60 3.175 rnm 2.77 mm Tabla 4.5 Características geornétricas del engrane
M6dulo de Youn
46
*.f
Figura 4.7 Engrane de prueba
DEPOSICIÓN DE DIAMANTE SOBRE DIENTES DE ENGRANES El engrane sobre el que se realizó la práctica de triboadhesión, se dividió en cuatro espacios
maestrales para realizar el proceso a diferentes tiempos de aplicación, esto es, cuatro
secciones de quince dientes. De acuerdo a los cálculos de la generación de calor en la
interface y a la teoría de trabajos previos de triboadhesión sobre superficies planas, y
aunado a la técnica de maquinado de engranes, se logró aplicar recubrimiento a los dientes
del engrane.
El método que se utilizó fue, el ir aplicando la fuerza normal a cada diente y retirándola para
rotar al engrane, utilizando para ello el cabezal divisor universal.
Antes de aplicar la fuerza normal al primer diente, se debe ajustar la velocidad de rotación de
la fresa, esto se realizó regulando la presión de suministro de aire, posteriormente se aplica
la carga y el suministro de polvo de aporte.
La división que se utilizó en el cabezal divisor para el engrane recto de 60 dientes fue de 10
barrenos en el circulo 15, en división directa, esto de acuerdo a la técnica de maquinado para engranes rectos. [Slade, 19881
El suministro de polvo se realizó cuando la fuerza normal ya estaba aplicada.
___ 47
- A causa del tamaño del diente que se manejó, el recubrimiento se aplicó a todo el cuerpo del
diente y no solo a la cabeza de diente
Figura 4.8 Deposición en engrane
Polvo Tiempo de aplicación Observaciones Velocidad de
Y
I Superficies con marcas de deposicion tenues. no unifomes en todos los dientes 15 I 035 I 45000 I 105 I 15 1
, I I I I
Marcas de deposición bien definidas buena distribución en todos los di
con marcas de deposición bien definidas
Una vez terminada la prueba, se limpió el polvo no depositado, se utilizó una brocha de cerda y alcohol, para realizar una inspección visual de los depósitos realizados
Se utilizó la señal de amplitud de vibración en el dominio de la frecuencia, para observar el comportamiento del motor en funcionamiento, con el engrane sin recubrir y posteriormente,
en iguales condiciones de operación con el engrane recubierto, esto con el fin de observar algún cambio en la señal. -
48
De la comparación de la señal de vibración correspondiente al sistema mecánico antes del
proceso de deposición al engrane, con respecto a la señal de vibración del sistema posterior
al proceso de deposición, se observó un incremento en la señal de vibración. Esto es a
causa, de que la superficie de contacto de los dientes del engrane, presenta un coeficiente de fricción menor, esto a causa del diamante depositado. El cambio en las señales de
amplitud de vibración de igual forma, es ocasionado por el endurecimiento a causa de la
existencia de una interface de material más duro y con propiedades diferentes a la superficie
original de los dientes del engrane.
En la figura 4.9 se observa el espectro de vibración del sistema antes del proceso de
deposición, así mismo, en la figura 4.10 se puede observar el espectro de la señal del
sistema posterior al recubrimiento.
. I , . . ,. <I . . . . . - .,, .
. . ,o.l ' .i. , : < . . , , .
Imn q m , . m m , m . 7m, m , ir
j ..
Frecuencia '.'?. ' . ,. .. , . . , .. . .I. 1 , . .
Figura 4.9 Espectro de vibración antes del recubrimiento
- 49
t « , . . , , . . . . . .. *.** . _. . .
.. . . .: I O ' 1 t
II Frecuenc
Figura 4.10 Espectro de vibración posterior ai recubrimiento
50
11
- CAPITULO 5
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
5.1 RESULTADOS
En el presente trabajo se realizó el diseño del dispositivo, para lograr la deposición por
triboadhesión en las pistas interiores de rodamientos. Esto permite llevar a cabo deposición
en rodamientos para un intervalo de diámetro interno de 20 mm a 50 mm. Asi mismo, el
dispositivo permite hacer deposición sobre dientes de engrane, en intervalo de tamaño de
diente de 3 - 20 mm.
Se diseñó y manufacturó un recuperador de polvo tipo ciclón. Esto, con base en la teoría de
la cinética de gases.
En el presente trabajo, con el dispositivo diseñado, se llevó a cabo deposición de diamante
en un rodamiento SKF UN 1006, de 36.47 mm de diámetro en la pista interna, con 14
rodillos. El diamante se depositó directamente sobre los rodillos del rodamiento.
Se depositó diamante sobre los dientes de un engrane recto, de 36.51mm de diámetro y 60
dientes. El engrane, se dividió en cuatro secciones iguales de 15 dientes. En cada sección se aplicó el proceso de deposición a 15, 30, 45 y 60 segundos respectivamente.
Se realizó un análisis mediante vibración mecánica, para determinar los cambios de señal
para el sistema mecánico, antes y despues del proceso de recubrimiento en el engrane
De la comparación de la señal de vibración correspondiente al sistema mecánico antes del proceso de deposición a los dientes del engrane, con respecto a la señal de vibración del
sistema posterior al proceso de deposición, se observó una incremento en la señal de
51
vibración. Esto es a causa de que la superficie de contacto de los engranes, presenta un
coeficiente de fricción menor, a causa del diamante depositado.
5.2 TRABAJOS FUTUROS
Se recomienda realizar análisis metalográficos, para observar la cantidad y calidad del
depósito realizado, y a partir de los resultados de esos estudios, establecer parámetros
definidos pera la correcta deposición, tanto para dientes de engrane como para rodillos de
rodamientos radiales.
Se propone realizar recubrimiento en diferentes tipos de rodamientos comerciales, en la pista
interna y en la pista externa, al igual que en los elementos rodantes.
Realizar pruebas de los futuros recubrimientos tanto de desgaste como de pruebas
metalográficas.
Realizar pruebas en engranes comerciales, flechas Cardan, cajas diferenciales de
maquinaria, y cajas de velocidades para autos de uso común, así como pruebas
comparativas del desgaste en los diferentes elementos.
52
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-
- APÉNDICE A
CÁLCULO DE TEMPERATURA EN LA INTERFACE
El área de contacto tiene gran influencia sobre la temperatura desarrollada durante el
deslizamiento. La energía perdida durante el deslizamiento se disipa principalmente en forma
de calor, y esto ocurre sobre algunas pequeñas regiones en contacto. [Soriano, 20011
Todos los modelos sobre cálculos de temperaturas señalan que el incremento de la misma
está en función de la carga y la velocidad, y se incrementa entre más baja es la
conductividad térmica de los cuerpos, es decir, en malos conductores térmicos, el calor que
se genera en la interface es mucho mayor que en aquellos que poseen buena conductividad
térmica, como es el caso de los metales. [Rodriguez, Soriano, Colin, 20001
Tomando en cuenta los anteriores parámetros se obtiene una ecuación más acorde con las
características del fenómeno de triboadhesión, esto, a partir del estudio de la generación
instantánea de calor por fricción. whithouse, 19701
Para realizar el cálculo de la temperatura en la interface, se calculan primeramente las
difusividades térmicas, tanto para el sustrato como para la fresa. Utilizando las propiedades
de cada material.
a Difusividad térmica (m2/s)
K Conductividad térmica (Wim 'C) P Densidad de masa (KgIm3)
c, Capacidad calorífica (JIKg 'C)
- Los subindices s y fcorresponden al sustrato y a la fresa respectivamente
Posteriormente, se calcula el radio de contacto real que considera los efectos de la carga
aplicada, y la dureza superficial del material que se utiliza como sustrato, para obtener la
deformación plástica, ya que es el tipo de deformación que se realiza en el sustrato.
a Radio de contacto (m)
MI Carga normal (N)
La velocidad de la fresa se calcula como velocidad periférica o tangencial.
2nVr 60
VI =-
Velocidad de la fresa (mis)
Velocidad de la fresa (rpm)
Radio de la fresa (m)
Vi
V r
La velocidad del sustrato es proporcionada por la velocidad de avance del motor,' que se toma como constante, tomando en cuenta que puede variarse modificando las velocidades
del sistema de engranaje del torno.
V< Velocidad del sustrato (mk)
La velocidad del sustrato se suma a la velocidad de la fresa para encontrar la velocidad relativa o final promedio. Siempre en la zona de interface.
57
La función L o número de Peclet es una función adimensional de la velocidad que nos dice
que, si la velocidad es alta, no hay tiempo suficiente para distribuir la temperatura en el
sustrato. La velocidad a la que ocurre el fenómeno se relaciona con el parámetro
adimensional, por lo que los números de Peclet se deben calcular de forma independiente
para cada material.
L Número de Peclet (adimensional)
a Difusividad térmica (m2/s)
r Radio de cuerpo (m)
V Velocidad de cuerpo (mis)
La función de partición de calor depende de las condiciones de operación y las propiedades
de los materiales por lo que de acuerdo a la teoria se calcula como:
1
a L/ c/, Calor específico (JIKg 'C)
V Velocidad tangencia1 (m/s)
P Densidad del material (Kg/m3)
Función de partición de calor (adimensional)
Número de Peclet de la fresa (adirnensional)
Esta función de partición de calor nos permite calcular, el calor para cada uno de los
elementos a partir del calor total generado por la fricción, de acuerdo a una carga normal
aplicada y la velocidad tangencial total en el punto de contacto. [Soriano G. 20011
Donde el coeficiente de fricción está dado por los parámetros del material
S
p = 2W*hcotB H -
iJ Coeficiente de fricción (adimensional)
S Esfuerzo de corte en la interface (Pa)
W,, Energía de adhesión (Jim’)
0
rcomb H
Ángulo promedio de las asperezas superficiales
Radio de contacto que considera los efectos de adhesión y deslizamiento (m)
Dureza de identación del material deformado (Pa)
El calor resultante de la acción de la fricción en la interface.
Qr = N P V ~ ,
Q,. V”,
Calor total generado por fricción (W)
Velocidad tangencial media de la interface (mís)
De acuerdo a la teoría se tiene que para la fresa, la generación de calor sería
Q,.=AQ,
Calor generado en la fresa (W) Q,
De igual forma se tiene que para el sustrato, el calor generado será
59
= (1 - A)Q7.
Calor generado en el sustrato (W)
Para expresar la temperatura superficial promedio 0, como una función del número
adimensional de la velocidad “L’; y el calor superficial de cada elemento (Q, y Q,) se tiene
que pa’ra el sustrato
4 Temperatura superficial en el sustrato (OC)
y de igual forma para la fresa
0, Temperatura superficial en la fresa (OC)
Resumiendo, podemos decir que el calor generado por la fricción depende de la carga
normal aplicada. Pero cuando la velocidad relativa es cero, los números adimensionales de
Peclet no tienen influencia en el proceso.
Si la velocidad es alta, en comparación con una fuente fija de calor, no hay tiempo para
distribuir la temperatura en el sustrato. Si la velocidad es alta, se puede entonces ignorar el
flujo lateral de calor y es por lo que se trata como un flujo de calor lineal.
Por lo que para este proceso de generación de calor por fricción entre dos piezas con movimiento relativo entre si, los parámetros adimensionales de la velocidad son los que denotan la generación instantánea de calor.
60
~
APÉNDICE B
ANÁLISIS DE VELOCIDAD DEL SISTEMA
De acuerdo a la literatura existente de trabajos previos, se requiere de velocidades
tangenciales del rango de 210 a 250 mls. Tomando a ésta velocidad como base para
delimitar nuestro proceso se realizó el análisis de velocidades por los siguientes métodos:
CONSERVACIÓN DE ENERGíA DEL SISTEMA
W = A (Ek + Ep) = AEk+ AEp
A Área
Ek Energía cinética
EP Energía potencial
U = Q - W
-----+I
-2
Q Calor
W Trabajo
El trabajo realizado por un punto material o sobre un punto material es igual a la variación de la energía
u = w -3
De 1
m Masa
V Velocidad P Coeficiente de fricción
F" Fuerza normal
De, donde la energia total del sistema
:. Si, sólo tomamos velocidades, por que las masas son constantes en todo momento.
La velocidad de entrada sera:
ve = Jm- -7
Ve Velocidad de entrada
Por lo que, si la ve que requerimos es de 250 mls en el punto tangente de los 2 movimientos, y si suponemos que v , = v2, obtenemos a partir de 7:
62
- 176.77 m/s V I = - _ 250 45
y si manejamos radios iguales de 1.5 cm = 0.015 m
Obtenemos:
v=wr z v 176.77mls r 0 . 0 3 ~
w = - = = I 1 784.66 r.p.m.
w Velocidad angular en r.p.rn.
r Radio del cuerpo
Si w, = 2700 r.p.m
wz Velocidad de giro del torno
V, = (2700) (0.015) = 40.5 m/s
De donde decimos que:
= ,/- = 246.69 m/s
w, = __- 246’69 - 16446 r.p.m. 0.0 15
CONSERVACI~N DE MOMENTO DEL SISTEMA
Analizamos las velocidades como vectores, de donde se obtiene:
V r
V
V2
Velocidad tangencial total del sistema
Velocidad tangencial del rodamiento (torno)
Velocidad tangencial de la fresa
Tomando el criterio de que la velocidad conocida es la velocidad tangencial V r requerida
vT = 250 m/s
s i
v, = vz
entonces
250 2
vi = - = 125 mi..
Cuando los radios requeridos son en un momento supuesto iguales, obtenemos que:
r, = r, = 1.5 cm = 0.015 m
64
Y 125mls r 0.015m
u = - = = 8333.33 r.p.m.
Si suponemos que la wi = 2700 r.p.m., suministrada por el torno,
vi = (2700 r.p.m.) (0.015 m) = 40.5 m/s
De donde:
VT - v, = vz
250 mis - 40.5 mis = 209.5 m/s
Y
209.5m I s 0.0lSm
u 2 = = 13966.66 r.p.m
Elaborando una tabla de valores para la velocidad que se requiere en la fresa, partiendo de
los diferentes diámetros de fresa.
vi = wI rl vi = (2700 r.p.m.) (0.01 m)
vi = (2700 r.p.m.) (0.015 m)
v2 = (2700 r.p.m.) (0.02 m)
v2 = (2700 r.p.m.) (0.025 m)
vi = (2700 r.p.m.) (0.03 m) vi = (2700 r.p.m.) (0.035 m) v2 = (2700 r.p.m.) (0.04 m)
= 27 m/s
= 40.5 mis
= 54 mis
= 67.5 m/s
= 81 m/s = 94.5 m/s = 108 m / .
Una vez que se obtuvieron los parámetros de velocidad se realizó una tabla para conocer el comportamiento a diferentes velocidades tanto del torno como de la fresa y se graficó.
Rpm Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa Rpm fresa 1 torno
20mm 25mm 30mm 35mm 40mm 5mm 1 Omm 15mm 170 49999.711 24999.422 16665.7996 12498.834 9998.5549 8331.59915 340 49998.844 24997.6879 16663.1983 12495.375 9994.21833 8326.39444
680 49995.3758 24990.7503 16652.7889 12481.49 9976.85321 8305.543
1360 49981.5006 24962.9806 1661 1.086 12425.796 9907.08837 8221.60839
1610 49974.0723 24948.1041 16588.7214 12395.882 9869.54406 8176.3283
1780 49968.306 24936.5515 16571.3421 12372.615 9U0.30487 8141.01004
Tabla 6.1 Velocidades de giro del torno y de la fresa.
7140.83386
7134.76055
7110.41547
7012.18997
6959.04506
691 7.51 459
6871.52881 L
Las velocidades de giro del torno proporciona la velocidad al balero y la velocidad de giro de
la fresa es la requerida para alcanzar las velocidades tangenciales necesarias para lograr la
deposición, por medio del método de triboadhesión por fricción.
velocidades
GQ 60Q ,@ hQ 0’ 9 , h6 G 29 vel del torno
Grafica 6.1 Gráfico de las velocidades de la fresa y el torno.
2700 20221 I Tabla B.2 Velocidades de giro del torno y de la fresa para prueba.
__ APÉNDICE c
CALIBRACIÓN DEL TRANSDUCTOR DE FUERZA
Figura C.1 Puente de Wheatstone completo.
La calibración del transductor se realizó.mediante el método de calibración estático, el cual
consiste en aplicar una fuerza conocida y ajustar la ganancia en el amplificador de señales
hasta obtener la relación NlmV de salida que se desea [Ramirez E. 20041. Para calibrar el
transductor de fuerza se aplicaron cinco ciclos ascendentes y descendentes con masas de O
a 400 gr. El análisis de la calibración se muestra en la tabla C. l , Se muestran las gráficas
correspondientes a los ciclos ascendente y descendente en la gráfica C.l
I ~~~ ~
Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Descarga Descarga Descarga Descarga Descarga Carga 5 Peso,
Carga 4 5
Carga 2 Carga 3 2 Newtons 1 3 4 Carga 1 Peso, gr
O O 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125
0,0981 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126
0.2943 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126 0.0126
0.4905 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127 0.0127
0,981 0,0128 0,0128 0,0128 0,0128 0.0128 0.0128 0.0128 0,0128 0,0128 0.0128
1.962 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132 0.0132
Tabla C.1 Datos obtenidos de la calibración del transductor
_ - p___ - - 68
.:.
. ... 1 I
, o0135 I
Grafica C.l Curva de calibración
Basándose en la gráfica C.l, se obtiene la sensibilidad del sensor de fuerza basado en
extensometria: 3.2518891 8027071 2e-004 V/N. La ecuación de la recta es:
3.251889180270712e-004x + 1.253027120059743e-002
De donde el polinomio de ajuste es:
y = 3.251889180270712e-004x + 1.253027120059743e-002
A partir de esta ecuación se puede determinar la carga en función de la señal de salida del puente, donde:
Y Señal del puente (V) X Carga (N)
0.0125302712005 0.0003251 8891 8
X =
69
APÉNDICE D
DISEÑO DE RECUPERADOR DE POLVO
Cuando las particulas tienen un diámetro de grano superior a 1 pm pueden emplearse
medios mecánicos para su separación del aire que las conduce. En este caso llamaremos el
proceso recuperación de polvo.
Las ventajas del dispositivo diseñado son principalmente:
1.
2.
3.
4.
5. 6.
La inversión inicial es baja.
Carece de partes móviles, con lo que los requerimientos de mantenimiento y los costos
de operación son bajos.
La caída de presión es relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas
recuperadas.
Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de
construcción.
La colección y disposición de polvo tiene lugar en seco.
Los requisitos espaciales son relativamente pequeños.
De acuerdo a la teória cinetica de gases y al tamaño de partículas se realizó el análisis para
determinar los parámetros del recuperador de polvo.
CÁLCULOS
Datos
T = 27 OC = 300.15 K Q = 32x103rn3/s
70
Qeiilr0d* = 38nm
e,rrodo = 80 mbar= 8000N/m2
R = 286.9 Nmkg K
&,o, = 1.01325~10~ N/m2-8000 N/m2 = 93325 N/m2
A partir de estos datos los cálculos realizados son:
N 93325 7 m = 1.083Kg lm’ (300.15”K)
P
RT 286.9 p = - =
N * m Kg*” K
y =- Q, A,
m3 Q, = 32x10- - S
4, = 38x10-’ m
4 3 8 ~ 1 0 - ’ m ) ~ = 1,134x10-’m2 A, = 4
m’ 32x10-’ -
i , 1 3 4 x i o - ~ m ~ S
m y = ’ =28.21-
Qi = Q2
A,V, = A2V2
Q, v2 =- A2
= 76.2X10-3m z(76.2XI O-’m)’ = 4,560x1 0-3 m 2
4 A, =
m’ 32XlO-j - V - =7.0169mls
- 4.560X10-3m2
( 2 8 . 2 1 m l ~ ) ~ - (7 .0169ml .~ )~ N 2 m- p, = 8000N/m2 +1.083Kglm3
v,=- Q i
A,
= 0.07068m2 n(38X10-2m)2 4
A, =
m’ 3 2 x 1 o-, -
= 0.4527Ont/s 0.07068m Y, =
Qi = Q 4
A,V, = A,V,
Qi v, = - A,
4, = 38x1 O-, m
m‘ 32X10-’ -
V - =28.21m/s - 1.134X10~’m2
m +9.81i(O.I41m) (0 .45270ml~)~ - (28.21m/.~)~
2 s P4 =8432.51N/m2 +1.083Kg/nr3
N P, = 8 0 0 3 . 1 9 1
m
72
A,? = A,V, Qi v, =- A,
4, = 25.4XIO-?m
A, = = 5.067X10-4m2 j~(25.4XlO-’m)~
4 m3 32X10-3 -
5.067X10-4m2 = 63.15mls s v, =
N = 6274.46? m
(28 .21mI~)~ - (63.1 5m 2
P5 =8003.19Nlm2 +1.083Kglm3
Qi = Q6
AlV, = %Y6 Qi
,-4 V - -
46 = 9.525XiO-’rn
~(9.525XlO-’m)~ = 7, 125x1 A, = __ 4
m3
v, = = 449.08rnis
P, = 6274.46N/m2 +1.083Kglm
32x1 O-’ -
7.125X10-sm2 (63.1 5m/s)* - (449.08m/s)*
2
N P, = -100771.92632 m
73
APÉNDICE E
DISEÑO DE TOBERA
El cálculo de la tobera se realizo de la siguiente forma:
Datos:
y = 1.4
R = 8.3 I kgm/molK
Pat,,, = 1.033kg/cm2
Po = 1.133 kg/cm2
T ~ ~ 2 8 8 . 1 6 ,
a2=Imm
al =6mm
Encontrar
Tl, a (velocidad del sonido), VI . vz
Se inician los cálculos de la siguiente manera
CÁLCULOS
Densidad (p) kg/m3 Razón de calores especificoc (y) adimensional
Volumen especifico (u)m3/ kg Temperatura (T) grados K
Velocidad del sonido (a)
y = CpíCv
Es la relación que existe entre la presión en la garganta de la tobera donde se alcanza una
velocidad sónica y la presión a la entrada de la misma. Para determinar dicha relación se
hace uso de las siguientes leyes para gases ideales.
pv” = kte
h = CpTp (Entalpia)
(Masa) . PAT pJ=-
RT
(Entropía)
Se encuentra primero el no de Mach
M = {((1.133/1.033)’~4~”’~4-1) (2A.4 0.3657 = 0.4
Después se encuentran las siguientes relaciones.
M = 0.3657
P o = 1.033+0.1= 1.133Kg/cmZ
y = 1.4
Pat,,, = 1. 033Kg/cm2 Po = Patm + P
75
Se calcula la velocidad del sonido para diferentes valores de T,
a, = 57.9003751
a, = 58.4005431 a3 = 58.8964637 a4 = 59.3882433 a5 = 59.8759838 a6 = 60.3597833
a, = J(1.4)(8.31)(288.16)
Para los diferentes valores de la velocidad del sonido se encuentra v2
VZ
21.1741672 rnls
21.3570786 mls
21,5384368 rnls 21.7182806 mis
21.8966473 mls
22.0735728 mis
Con la siguiente ecuación se calcula la densidad para diferentes valores
PAV RT
Flujo másico m = - -
AI = 7.85E-O7
P I = 0.00043139 kg/m3
Pz= 0.00042403 kg/rn3
P 3 = 0.00041692 kg/m3
p4= 0.00041004 kg/rn3
Ps= 0.00040339 kg/m3
Ps= 0.00039695 kg/m3
Se calcula el flujo rnásico con los diferentes valores de densidad
rn A2 P v2 7.85E-07 21.1741672 0.00043139 7.17E-09
7.85E-07 21.3570786 0.00042403 7.1 I€-O9
7.85E-07 21.5384368 0.00041692 7.05E-09
7.85E-07 21.7182806 0.00041004 6.99E-09
7.85E-07 21.8966473 0.00040339 6.93E-09
7.85E-07 22.0735728 0.00039695 6.88E-09
Con la siguiente relación se encuentra la temperatura
% = 1 + (?) 1.4-1 (0.3657)2 T
3 = 1.02674 T
To = 1.02674 T2
Se encuentra la To para diferentes valores de T2
295.8653984 K 22.7053984 "C
300.9990984 K 27.8390984 "C 306.1327984 K 32.9727984 "C 31 1.2664984 K 38.1064984 "C 316.4001984 K 43.240 1 984 "C 321.5338984 U 48.3738984 "C
To = 1.02674* Tz -- - 77
- ' = 1.02674 T
3 = 0.9117 4
Pi = 0.91 17 Po = 1 .O33 atm
Po= 1.133
Pi = 1.033 u1 = 21.17
= 19.81 mls (1.033)(21.i7)'.4 1.133
u,' =
Sustituyendo los diferentes valores de vI en la fórmula
u. = 19.81 rnls
u. = 19..986 mls u. = 20 152 mls u. = 20.323 mis u. = 20.491 mls
u. = 20 66 rnls - ~ 78
r [ 2) = 1.09678
(:)I =[¡KT 21'17 = 1.09683
Con los valores obtenidos anteriormente de u,, y u, se sustituye y se obtiene lo siguiente
1.068862553
1.068601953
1.068798967
1.068655246
1.068598277
1.068420753
Flujo masico = A v p
rn = 6.87xlO-'' m3/s
v = 21.35rnís p = 4.1~10-~kg/ m3
= 7.84 x IO-' m2 = 0.784 mm' m 6 . 8 7 ~ 1 0 - ' ~ m l s V 21.35 m l s
A = -=
- RESULTADOS
M = 0.3657
Po = 1.068
T2 = 20°C = 293.16K
A = 58.40
p2 = 4.1x105m31s
v2 = 21.35mls
v, = 14.98 mls
m = 6 . 8 7 ~ 1 0 ~ ’ ~ m3/s = 0.687mm3/s
To = 27.8”C = 300.99K
Pa,,,, = 0.1 kglcm’
Pent = 0.2 kglcrn’ .
80
_I - APÉNDICE F
DIBUJOS
81
acot. mm
lil
maddap RBcupERdDoR DE mLvo
mm
Desorrollo Tecnológico
DMSION DISERO M E C ~ I C O MASSíRI*ENuENcLLFEN I N G E ~ A M E C U Y I C (
SOPORTE DEMO
I
Diseño
-6IS.?ITO
Cmnln Ccnlm Nodomal delnvcsrigaeidny Desarrollo Tecnolsgieo
SIN Unidades
No. Dibujo Hoja: SOPORTE DE MOTOR
NEUMATICO W3-4 l/I
