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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN
EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
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COMIMSA TeTnoClogY,a
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DINÁMICO PARA EL
PROCESAMIENTO DE PERNOS A GRANEL
MEDIANTE NITRURACIÓN IÓNICA
TESIS
PRESENTA:
Jesús Santos Zamarripa Pina
MAESTRÍA EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA CON ESPECIALIDAD EN
SISTEMAS DE MANUFACTURA AVANZADA
Saltillo, Coahuila. Diciembre 2013
"Diseño de un dispositivo dinámico para el procesamiento de pernos a
granel mediante de nitruración iónica"
Por
Jesús Santos Zamarripa Pina
Tesis
Presentada al Posgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnología
Sede
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S. A. de C. V.
Como requisito parcial para obtener el Grado Académico de
Maestro en Ciencia y Tecnología con
Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada
Posgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnología COMIMSA /
CONACyT
Saltillo, Coahuila. Diciembre de 2013.
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A de C.V
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Comité Tutorial recomendamos que la
Tesis "DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DINÁMICO PARA EL
PROCESAMIENTO DE PERNOS A GRANEL MEDIANTE NITRURACIÓN
IÓNICA" realizada por el alumno JESÚS SANTOS ZAMARRIPA PINA con
número de matrícula 1106MA3083 sea aceptado para su defensa como
Maestro en Ciencia y Tecnología con Especialidad en Sistemas de
Manufactura Avanzada.
El Comité Tutorial
Dr. Héctor Manuel Hernández García
Tutor Académico
Director de Tesis
Dr. Juan Carlos Díaz Guillen Dr. Felipe de Jesús García
Tutor en Planta Vázc*uezAsesor
Vo.Bo
Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés
Coordinación General de Estudios
de Posgrado
COMIMSA
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de Grado del alumno
JESÚS SANTOS ZAMARRIPA PINA una vez leída y revisada la tesis
titulada "DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DINÁMICO PARA EL
PROCESAMIENTO DE PERNOS A GRANEL MEDIANTE NITRURACIÓN
IÓNICA", aceptamos que la referida tesis revisada y corregida sea
presentada por el alumno JESÚS SANTOS ZAMARRIPA PINA para
aspirar al grado de Maestro en Ciencia y Tecnología con Especialidad
en Sistemas de Manufactura Avanzada, durante el Examen de Grado
correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 18 días del mes de
diciembre, del año 2013.
Dr. José AJofiso Díaz Guillen Dr. Pedro Pérfíz ViUanbeva
Presidente Secretario
Dr. Héctor Manuel Hernández
García
Vocal
T
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a dios por darme vida y salud para lograr cumplir una meta más
en mi vida.
Quiero agradecer sinceramente a mi esposa Hilda Carranza Mares por ser
mi fiel compañera y quien me impulsa a seguir adelante día con día. A ella
por estar conmigo en las buenas y en las malas motivándome en las caídas
de la vida.
Agradezco a mis hijas Aleida Mariana y Goretti de Jesús por permitirme
inconscientemente quitarles tiempo que debí pasar con ellas por el
compromiso de este proyecto.
Le doy gracias a mis asesores, el Dr. Héctor Manuel Hernández García y el
Dr. Juan Carlos Diaz Guillen por motivarme en mi desarrollo profesional y
por la confianza que me depositaron durante este proyecto pero sobre todo
por su amistad.
Le agradezco a la Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
S.A de C.V (COMIMSA) por todo el apoyo brindado ya que siempre me
facilitó un horario para la toma de clases y para desarrollo de esta
investigación así como recursos materiales necesarios.
Expreso de todo corazón mis más sinceros agradecimientos a todas
aquellas personas que me brindaron apoyo y asesorías en esta capítulo de
mi vida, gracias por su ayuda incondicional pero sobre todo gracias por los
consejos que me dieron para no dar marcha atrás, gracias por haber sido
parte de este equipo de trabajo.
DEDICATORIA
¿/l uii esposa ¿TX.vl.da l i^azzauza ^y'lAazas pot tcdo
Á auto- u (la confianza qua me cía. \J7T uto lillas
^Axmda v/'l/lartaita i) Cloretti tía Jc.mÍ*, per
¿loafiaiiiia üua cuaudc íes tatas .sen utá.s Mííciias la
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AUTOBIOGRAFÍA
Jesús Santos Zamarripa Pina nació el 12 de septiembre de 1987 en la
ciudad de Saltillo Coahuila. En agosto del año 2004 ingreso al instituto
tecnológico de saltillo (ITS) para cursar la carrera de ingeniería en
materiales, realizo sus prácticas profesionales en la Corporación Mexicana
de Investigación en Materiales S.A de C.V (COMIMSA). En el año 2009 al
egresar del ITS se mantiene como trabajador en COMIMSA y comienza el
proceso de titulación por tesis mediante el estudio del "efecto de la
densidad de corriente en las propiedades superficiales de acero AISI 4340
nitrurado por plasma" la cual fue terminada y presentada en noviembre del
2010.
En el año 2011 ingreso al programa de maestrías del PYCIT en la maestría
en ciencia y tecnología con especialidad sistemas de manufactura
avanzada, en la que actualmente es aspirante a obtener el grado de
Maestro en Ciencia y Tecnología por parte de la Corporación Mexicana de
Investigación en Materiales.
RESUMEN
En la actualidad los métodos de modificación superficial son una
herramienta esencial en la manufactura de piezas y componentes
sometidos a severos esfuerzos mecánicos superficiales. Tales métodos
tiene el objetivo de incrementar las propiedades superficiales y multiplicar la
vida útil de dichas piezas.
Una de las alternativas con potencial para la modificación de las
propiedades tribológicas superficiales es el uso de tratamientos
termoquímicos asistidos por plasma. Una de las técnicas de mayor
demanda es la nitruración iónica debido a sus ventajas y resultados
respecto a otros tratamientos como lo son la nitruración por baño de sales
fundidas y nitruración gaseosa.
A pesar del gran desarrollo de estas tecnologías, el procesamiento a través
de ellas de piezas a granel ha estado considerablemente limitado. En ese
sentido, el objetivo principal de este trabajo fue diseñar un dispositivo
dinámico para el procesamiento de pernos a granel por nitruración iónica,
que permita procesar el 100 % de la superficie del perno. El proceso diseño
de tal dispositivo se realizó a través de la metodología de ingeniería
concurrente y empleando software de CAD.
El dispositivo fue diseñado para un reactor de nitruración industrial que
actualmente se encuentra en proceso de puesta en operación y para
colocarse en un volumen útil de 1m3. Después de una serie de análisis
realizados, se seleccionó un diseño basado en una cama de rodillos
giratorios de 0.75 in (19.05 mm) de diámetro soportada por una estructura
metálica, con capacidad para nitrurar a la vez hasta 1480 pernos de 0.25 in
(6.35 mm) de diámetro por 1 in (25.4 mm) de longitud. El diseño permite
exponer al plasma el 80% de la superficie de cada perno, lo que podría
representar el incremento de únicamente el 20% del tiempo de tratamiento
respecto a un proceso estático. Adicionalmente el diseño permite utilizar
IV
r
solo la parte del área ocupada por las piezas cuando no se requiera una
carga de trabajo completa.
V
r
ABSTRACT
The surface modification processes have become an important step in the
manufacture of metallic pieces and components, which must to work under
high surface stresses as abrasión and wear. The main objective of such
modification methods is to increase the surface properties of metallic parts
in order to rise its lifetime.
Plasma enhanced thermochemical treatments are excellent alternatives to
change for better the tribological properties of several metallic alloys.
Plasma nitriding is one of these techniques with high use due its advantages
in respect to traditional processes as gas or salt bath nitriding.
Despite the growth of the use of plasma nitriding, the processing of pieces in
large quantities (bulk) is limited. In this sense, the main objective of this work
was to design a dynamic device to processing of pins in bulk through
plasma nitriding. The device must have the capability to process 100% of
the pin surface. The design process was carried out by the use of
concurrent engineering methodology and employing CAD software.
The device was designed for a specific industrial plasma nitriding reactor
which is currently in the put into operation step and sizing for a useful
volume of 1 m3. After some analysis the selected design results in a bed of
0.75 in diameter rotatory rods, supported by a metallic structure. This device
has the capacity to nitride at the same time 1480 pins with a diameter of
0.25 in and a length of 1 in. The design was developed in order to expose to
plasma the 80% of the pins surface, which could represent just an
increasing of 20% in the nitruration time with respect to the static process.
Additionally, in order to save energy, it is possible to use just a section of the
rods bed when it is not required the total capacity.
VI
r
L
GLOSARIO Y ABREVIATURAS
Erosión catódica: Es un proceso físico en el que se produce la
vaporización de los átomos de un material sólido denominado "blanco"
mediante el bombardeo de éste por iones energéticos
Solver: Es una herramienta de análisis y optimización incluida en la
mayoría de los paquetes computacionales
Inconel: Marca comercial de una superaleación base níquel
Parametrización: Consiste en la identificación de las cantidades numéricas
que especifican cada elemento en el sistema y sus rangos permisibles.
Síntesis de diseño: Descripción general de las ideas principales para la
elaboración del diseño
Vil
r
ABREVIATURAS
DTM: Teorías y metodologías de diseño (por sus siglas en inglés)
PVD: Depositación de vapor físico (por sus siglas en inglés)
CVD: Depositación de vapor químico (por sus siglas en inglés)
CD: corriente directa (por sus siglas en inglés)
CT: Ciclo de trabajo
Tp: Tiempo de pulso
PC/PLC: Controlador programable / controlador lógico programable (por
sus siglas en inglés)
CAD: Dibujo asistido por computadora
CAE: Ingeniería asistida por computadora
CAM: Manufactura asistida por computadora
CFD: Fluido dinámico computacional (por sus siglas en inglés)
CE: Ingeniería concurrente (por sus siglas en inglés)
DFM: Diseño para la manufactura (por sus siglas en inglés)
VIII
india'
AGRADECIMIENTOS I
DEDICATORIA II
AUTOBIOGRAFÍA III
RESUMEN IV
ABSTRACT VI
GLOSARIO Y ABREVIATURAS Vil
ABREVIATURAS VIII
LISTA DE FIGURAS 1
1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 3
1.1 JUSTIFICACIÓN 6
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 8
1.3 HIPÓTESIS 10
1.4 OBJETIVOS 11
1.4.1 GENERAL 11
1.4.2 ESPECÍFICOS 11
2 CAPÍTULO II REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 12
2.1 INCREMENTO DE LAS PROPIEDADES SUPERFICIALES DE METALES
Y ALEACIONES 12
2.2 TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS PARA ENDURECIMIENTO
SUPERFICIAL 13
2.3 NITRURACIÓN 15
2.3.1 Métodos de Nitruración 16
2.3.2 Nitruración en Baño de Sales 16
2.3.3 Nitruración Gaseosa 17
2.3.4 Nitruración iónica 17
2.3.5 Usos y aplicaciones de los aceros nitrurados 18
2.4 NITRURACIÓN IÓNICA 18
2.4.1 Características de una descarga luminosa 20
2.4.2 Descargas luminosas pulsadas CD 23
2.4.3 Equipo para nitrurado iónico 26
2.4.4 Control del proceso 30
2.5 PROGRAMAS COMPUTACIONALES PARA DISEÑO Y SIMULACIÓN
MECÁNICA DE SISTEMAS DINÁMICOS 31
2.5.1 Abaqus 32
Abaqus/cae 32
ABAQUS/Standard 33
ABAQUS/Explicit 33
ABAQUS/CFD 33
2.5.2 Cosmos Works 34
2.5.3 Nastran 35
2.5.4 Ansys 36
2.5.5 Comsol 37
2.6 Diseño de sistemas 39
2.6.1 Proceso de Diseño 39
2.6.2 Definición del problema 41
2.6.3 Síntesis del Diseño 41
2.6.4 Parametrización y análisis 42
2.6.5 Clasificación y selección 43
2.6.6 Prototipado y prueba 43
2.6.7 Herramientas para diseño 44
2.7 Teorías y metodologías de diseño (DTM) 45
2.8 Ingeniería concurrente 46
2.8.1 Antecedentes de ingeniería concurrente 47
2.8.2 Beneficios de ingeniería concurrente 49
2.9 Metodología de diseño adaptable 50
3 CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE DISEÑO 51
3.1 "DISEÑO. DISPOSITIVO MÓVIL PARA NITRURACIÓN IÓNICA DE
PERNOS A GRANEL" 51
3.1.1 Definición del problema 51
3.1.2 Metodologías actuales para procesamiento de piezas a granel 53
3.1.3 Síntesis conceptual del diseño 56
3.1.4 Parametrización 61
3.1.5 Análisis y selección 64
3.1.6 Desarrollo detallado del diseño 66
3.1.7 Selección de Materiales 79
Capítulo IV Conclusiones 86
4 BIBLIOGRAFÍA 88
LISTA DE FIGURAS
Figura. 2.1. Curva de Paschen que muestra la relación entre el voltaje y la
corriente y las diversas características de una descarga luminosa [3] 22
Figura. 2.2. Ilustración esquemática de una señal de voltaje pulsado
utilizado para la generación de una descarga luminosa pulsada 24
Figura. 2.3 Mecanismo de descarga luminosa en la nitruración iónica. La
caída de potencial mayor está cerca de la pieza de trabajo por lo que esta
es donde los iones tienen mayor energía cinética y es aquí donde el plasma
tiene un resplandor brillante 26
Figura. 2.4. Diagrama esquemático de un reactor para nitruración iónica. .27
Figura. 2.5 proceso para el desarrollo de un diseño 40
Figura. 2.6 Concepto de ingeniería concurrente 47
Figura. 3.1 Caja de recocido para la inyección de gas con tapa de vacío
adicional 54
Figura. 3.2 (Izquierda) Cestas de carga con algunos pisos (derecha) Cesta
de carga con 4 niveles 54
Figura. 3.3 Patente para el procesamiento de piezas por nitruración iónica
[33] 56
Figura. 3.4 representación esquemática 1 58
Figura. 3.5. Representación esquemática 2 59
Figura. 3.6 estructura del dispositivo dinámico 67
Figura. 3.7 planos para la construcción de la estructura 69
Figura. 3.8 Distribución de los pernos en cada sistema rindiendo el área
disponible para el procesamiento 71
Figura. 3.9 Colocación de los pernos entre cada par de rodillos 75
Figura. 3.10 Distribución de los pernos sobre la cama de rodillos 75
Figura. 3.11 Dispositivo de contacto eléctrico dinámico 76
Figura. 3.12. Conexión eléctrica a la cama de rodillos 76
Figura. 3.13 representación esquemática del sistema de movimiento 77
Figura. 3.14 diseño de resistencia eléctrica 78
Figura. 3.15 colocación del dispositivo dinámico porta muestras en reactor
de nitrurado iónico 79
Figura. 3.16. Colocación del dispositivo sobre la base del reactor 79
Figura. 3.17 sistema de sellado por fluido magnético 83
CAPITULO I
1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
Los fenómenos de abrasión y desgaste están presentes de forma general en
equipos y maquinaria industrial, así como en una infinidad de sistemas
mecánicos utilizados en la vida diaria. Tales fenómenos físicos, traen consigo
pérdidas económicas considerables relacionadas directamente con la
disminución en el tiempo de vida útil de piezas y componentes metálicos y
los consecuentes procesos asociados por reemplazo de piezas o reparación
[1]. En ese sentido, son latentes los esfuerzos tanto nacionales como
internacionales, para contrarrestar tales fenómenos y disminuir así los costos
de los propios procesos industriales y los productos y su respectivo
mantenimiento.
Con el objetivo de incrementar las propiedades superficiales de diversos
componentes mecánicos, específicamente dureza y resistencia al desgaste,
se han desarrollado diversos métodos. De forma general, tales métodos
pueden ser clasificados en dos grandes vertientes: el uso de recubrimientos
duros y la utilización de tecnologías de modificación superficial. Ambas
metodologías han reportado buenos resultados para diversas aplicaciones
específicas. Sin embargo, el requerimiento de altas temperaturas para el
caso de tecnologías de aplicación de recubrimientos, se ha convertido en
una desventaja para su uso en componentes cuyas propiedades como
tenacidad y ductilidad se ven seriamente afectadas a tales temperaturas. En
este sentido, los tratamientos termoquímicos de endurecimiento superficial a
bajas temperaturas se han convertido en una alternativa muy atractiva para
el incremento de las propiedades de dureza y resistencia al desgaste sin
afectaciones microestructurales negativas [1].
En años recientes, la técnica conocida como nitruración iónica, se ha
perfilado como una metodología de baja temperatura para el endurecimiento
superficial de piezas metálicas con resultados destacables. El tratamiento
termoquímico de nitrurado iónico se caracteriza por promover la
CAPITULO I
incorporación superficial y sub-superficíal de átomos de nitrógeno sobre las
piezas metálicas mediante un proceso al vacío asistido por plasma. La
generación del plasma ocurre por la aplicación de una diferencia de potencial
directa o pulsada, entre un cátodo (piezas bajo tratamiento) y un ánodo
carcasa del horno de nitrurado) bajo una atmosfera al vacío rica en
nitrógeno. El proceso promueve la formación de una región superficial,
identificada como capa blanca, constituida generalmente por una serie de
nitruros con propiedades de dureza, resistencia al desgaste y en casos
específicos de corrosión, muy por arriba de las del material sin tratamiento, y
su obtención se lleva a cabo sin afectación de las propiedades volumétricas
de las piezas bajo tratamiento [2].
De forma generalizada, el proceso de nitruración iónica se lleva a cabo para
piezas individuales de forma estática, de modo tal que las piezas bajo
tratamiento (conectadas eléctricamente como ánodo) se encuentran
soportadas sobre una platina o accesorio de soporte, inmersas en el plasma
y sometidas a un sistema de radiación térmica controlada para alcanzar las
temperaturas de tratamiento (Usualmente entre 400 y 550°C). En ocasiones
muy específicas dicha platina porta-muestras o el accesorio de soporte
pueden girar sobre su propio eje para optimizar el proceso de incorporación
de nitrógeno. Sin embargo, a pesar del desarrollo de dicha técnica, el
proceso para modificación superficial de piezas pequeñas (a granel) del tipo
pernos, se han convertido en un reto importante a solventar, específicamente
cuando éstas se encuentran en grandes cantidades y su acomodo en una
platina o accesorio de soporte representa un alto grado de dificultad, una
considerable inversión de tiempo para tal hecho y un bajo nivel de eficiencia
de proceso debido a que el propio sistema de soporte evita la exposición al
plasma del 100% de la superficie de la pieza bajo tratamiento.
Sobre la base del requerimiento existente para el desarrollo de un dispositivo
dinámico, que permita la modificación superficial mediante nitrurado iónico de
pernos a granel, a través de la exposición al plasma de la totalidad de su
CAPITULO I
superficie. Así, el objetivo de este trabajo se centra en el diseño y validación
termo-mecánica de un dispositivo dinámico para nitrurado iónico de pernos a
granel. Tal dispositivo ha sido conceptualizado para operar en una atmosfera
al vacío, sujeto a las cargas térmicas, mecánicas y eléctricas propias del
proceso de nitruración. Así mismo, con las dimensiones específicas para
tratar pernos de acero media aleación AISI 4340 de 1.27 cm de diámetro y
2.54 cm de longitud dentro de un reactor de nitruración iónica escala semi-
industrial que actualmente se construye en la Gerencia de Ingeniería de
Materiales de la Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A.
deC.V.
CAPITULO I
1.1 JUSTIFICACIÓN
La problemática relacionada con los efectos del desgaste de piezas y
componentes metálicos promueve el desarrollo de tecnologías nuevas
direccionadas hacía el incremento de la dureza superficial y la disminución
de los coeficientes de fricción de dichos componentes. En años recientes las
tecnologías asistidas por plasma para endurecimiento superficial, como la
nitruración iónica, han tomado relevancia basados en el hecho de que se
modifican las propiedades superficiales sin afectación de las propiedades
volumétricas.
En este contexto, diversas empresas nacionales e internacionales han
volteado hacía la implementacion de tales tecnologías en sus procesos
industriales, sin embargo, aún siguen siendo de difícil acceso principalmente
por el hecho de que son desarrolladas en países Europeos y los costos de
importación son muy elevados. De esta forma, centros tecnológicos como
COMIMSA se han dado a la tarea de desarrollar tales tecnologías y de esta
manera poder contribuir al desarrollo de la industria nacional.
Como parte del diseño, construcción y puesta en operación de un equipo
escala semi-industrial para nitrurado iónico, COMIMSA se enfrenta a una
serie de retos. Uno de ellos, el hecho de que los procesos de nitruración
iónica son diseñados de forma general, para dar tratamiento a piezas
relativamente grandes en forma estática. Tal hecho limita de forma
importante el tratamiento de piezas pequeñas a granel del tipo de pernos con
requerimientos de altas propiedades de resistencia al desgaste. Tal limitante
se relaciona directamente con la capacidad para nitrurar el 100% de la
superficie de dichas piezas. El hecho de colocarlos en una platina fija o en un
accesorio fijo de diseño específico limita la exposición total de la superficie.
De este modo, es evidente el requerimiento del diseño y validación termo-
mecánica de un dispositivo dinámico que permita, a través del movimiento
constante de las piezas bajo tratamiento, la exposición de la totalidad de su
CAPITULO I
superficie al plasma durante el periodo de tratamiento, tal dispositivo deberá
operar en una atmosfera al vacío y sometido a las cargas mecánicas,
térmicas y eléctricas propias del proceso de nitruración iónica.
El diseño y validación del dispositivo dinámico para nitrurado iónico permitirá
establecer las bases para un proceso posterior de construcción, que en
conjunto con el diseño, construcción y trasferencia tecnológica del sistema
de nitruración iónica COMIMSA, ampliará las capacidades tecnológicas del
desarrollo y una vez transferido, promoverá el incremento en el nivel de
competitividad de las empresas relacionadas.
CAPITULO I
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La competencia de las industrias metal mecánica en el mercado se ha
incrementado en los últimos años y ha obligado a las empresas a mejorar la
calidad y funcionalidad de los productos o procesos que ofrecen. Respecto a
las industrias que ofrecen productos o servicios que involucran desgaste
superficial el tiempo de vida útil es una de las características más
importantes que define la eficiencia de su producto.
Estas empresas han mejorado la durabilidad y calidad de sus productos a
través de la modificación de las propiedades tribológicas del material
mejorando, en algunas ocasiones, inclusive la resistencia a la corrosión. El
incremento de las propiedades superficiales se ha logrado mediante dos
grandes ramas, los recubrimientos duros y las tecnologías de modificación
superficial, incrementando de forma significativa a través de ambas, la
dureza y resistencia al desgaste de las piezas modificadas.
Otra práctica común para este fin son los tratamientos térmicos, sin embargo,
tienen el inconveniente de la disminución en la tenacidad del material
haciéndolo más frágil [3]. De forma similar, las tecnologías de recubrimientos
duros presentan la desventaja del requerimiento de altas temperaturas para
su aplicación, lo cual resulta en la modificación microestructural del sustrato y
la consecuente disminución en la tenacidad y ductilidad del material.
De forma general, la técnica de modificación superficial mediante nitrurado
iónico tiene la ventaja de utilizar temperaturas de proceso relativamente más
bajas que las requeridas en los procesos de aplicación de recubrimientos
duros, además de considerarse una tecnología con bajos efectos negativos
hacia el medio ambiente. Esta práctica se caracteriza por la incorporación de
nitrógeno sobre la superficie de un sustrato metálico para la formación de
una zona de compuestos (capa blanca) y una zona de difusión (sub-capa) en
una atmósfera de bajo vacío rica en nitrógeno y con la asistencia de un
plasma [4]. No obstante la tecnología actual utilizada en esta práctica, la
8
T
CAPITULO I
misma se encuentra limitada a procesar piezas de gran volumen de manera
estática dejando de lado el procesamiento de piezas pequeñas con
requerimientos de resistencia al desgaste y la abrasión.
En base a lo anterior, es evidente la existencia del requerimiento específico
para desarrollar la capacidad de procesar piezas pequeñas a granel por
nitrurado iónico, de forma tal, que se permita el tratamiento del 100 % de la
superficie de las piezas mediante un dispositivo dinámico, adaptable a los
equipos para nitrurado iónico actuales. Tal requerimiento es destacable a
primera mano, en el reactor de nitruración iónica escala semi-industrial que
actualmente se construye en COMIMSA.
CAPITULO I
1.3 HIPÓTESIS
El diseño de un dispositivo dinámico porta-muestras con características
específicas para un sistema de nitrurado iónico puede permitir el
procesamiento de pernos a granel mediante la exposición del 100 % de la
superficie a las condiciones de operación obteniendo características
similares al proceso estático.
10
1.4.1 GENERAL
CAPITULO I
1.4 OBJETIVOS
Diseñar un dispositivo dinámico porta-muestras con características
específicas para un sistema de nitrurado iónico.
1.4.2 ESPECÍFICOS
Adecuar el diseño para lograr el procesamiento de un mayor número de
piezas (pernos).
Adecuar el diseño para utilizar la menor cantidad de energía posible
exponiendo al plasma la mayor cantidad de área del perno.
Identificación y utilización de software de diseño para el desarrollo del
dispositivo.
11
CAPITULO II
2 CAPÍTULO II REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1 INCREMENTO DE LAS PROPIEDADES SUPERFICIALES
DE METALES Y ALEACIONES
Los fenómenos de desgaste y corrosión, presentes de forma cotidiana en un
sinnúmero de equipos, maquinaria y herramienta industrial, traen consigo
una serie de problemas que resultan en la disminución de los periodos de
vida útil de piezas y accesorios metálicos. En este sentido, dichos fenómenos
promueven el incremento en el costo de los procesos productivos como
consecuencia de tiempos muertos para reemplazo de piezas, alto consumo
de herramientas y del incremento en la demanda del consumo de energía de
dichos equipos por efecto de fricción [5]
Con el objetivo de contrarrestar el efecto de dichos fenómenos, tres flancos
de ataque principales se han establecido en la industria internacional con
miras a incrementar las propiedades de resistencia al desgaste y corrosión
de piezas metálicas: 1) Utilización de lubricantes con propiedades
mejoradas, 2) desarrollo de nuevos y mejorados materiales y 3) desarrollo de
metodologías novedosas para recubrimientos o tratamientos de modificación
superficial [6].
Específicamente en la parte de aplicación de recubrimientos diversos sobre
piezas metálicas, existe una gran variedad de tecnologías que han probado
adecuados niveles de desempeño en campo. Dentro de estas tecnologías de
forma preponderante han destacado en los últimos años los procesos de
aplicación de películas delgadas para el incremento de propiedades como
resistencia al desgaste, abrasión y corrosión. Existen diversas tecnologías
para la depositación de dichas películas delgadas sobre piezas y accesorios
metálicos y de forma general se pueden clasificar en dos grandes grupos:
Tecnología de deposición física en fase vapor (PVD) y tecnologías de
12
CAPITULO II
deposición química en fase vapor (CVD) [7]. En la tecnología PVD las
muestras a ser recubiertas son colocadas en una cámara al vacío en donde
toma lugar la depositación por medio de un proceso de atomización o
evaporación del material del recubrimiento desde una fuente sólida. Las
especies ionizadas son atraídas hacia la superficie de la muestra que se
encuentra polarizada negativamente formando la película delgada. En el
caso de CVD, se utilizan gases precursores que contienen los elementos a
ser depositados y son introducidos en una cámara al vacío (Cámara de
reacción) y condensados sobre el sustrato a muy altas temperaturas dando
lugar a la formación del recubrimiento [8].
A pesar de que las tecnologías para aplicación de capas delgadas mediante
tecnologías PVD o CVD han avanzado considerablemente, en la actualidad
los costos de inversión aún son muy altos. Este factor, aunado al hecho de
que ciertos problemas técnicos como baja adherencia y fractura de los
recubrimientos aún no han sido del todo solventados [9], direccionan la
búsqueda de la optimización de propiedades superficiales de piezas
metálicas hacía las técnicas tradicionales de modificación superficial, como
es el caso de los tratamientos termoquímicos, pero con tecnologías
modernas y mayores niveles de eficiencia energética y control de proceso.
2.2 TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS PARA
ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
Los tratamientos termoquímicos utilizados para el endurecimiento superficial
de piezas y componentes metálicos están relacionados directamente con la
modificación de la composición química superficial de dichas piezas
metálicas. A través del tratamiento termoquímico, se obtendrá en la
superficie de la pieza bajo tratamiento, una fase químicamente distinta al
material del sustrato, con propiedades sustancialmente diferentes que
promoverá el incremento de las propiedades de dureza superficial y
resistencia a la corrosión entre otras.
13
CAPITULO II
Se identifican como tratamientos termoquímicos por el hecho de que
requieren temperaturas relativamente elevadas para promover el proceso de
difusión de las especies atómicas endurecedoras, tanto en la superficie como
en la región sub-superficial de la pieza en tratamiento. La profundidad de
difusión exhibe una dependencia del tiempo y la temperatura definida como:
"Profundidad de difusión oc KVtiempo", donde la constante de difusión "K"
depende de la temperatura, la composición química del sustrato y del
gradiente de concentración de una especie endurecedora dada. En términos
de la temperatura, la constante de difusión incrementa exponencialmente
como una función de la temperatura absoluta. Los gradientes de
concentración dependen particularmente de la cinética superficial y las
reacciones químicas que puedan ocurrir para un proceso específico.
Los métodos de endurecimiento termoquímico superficial incluyen una
variedad de especies endurecedoras (Tales como carbono, nitrógeno o boro)
así como de métodos de procesamiento utilizados para el manejo y
transporte de las especies endurecedoras hacía la superficie de la pieza en
tratamiento. Los métodos de procesamiento por exposición involucran el
manejo de las especies endurecedoras en forma gaseosa, líquida ó iónica.
Las variaciones en las fuentes de las especies endurecedoras producirán,
naturalmente, diferencias sustanciales tanto en la dureza superficial como en
la profundidad de tratamiento. Algunos factores adicionales que influencian
un método particular de difusión incluyen, el tipo y condición del material del
sustrato, así como la dureza y profundidad de tratamiento deseadas. Dentro
de los tratamientos termoquímicos convencionales empleados en la
actualidad para el endurecimiento superficial de diversos materiales
metálicos destacan las técnicas de nitrurado, carburizado y sus variantes
(Nitrocarburizado, carbonitrurado), las cuales pueden realizarse en
atmosferas gaseosas, en baño de sales fundidas, al vacío o en ambiente de
plasma. Así mismo, se pueden mencionar los procesos de borurado y
cianurado.
14
CAPITULO II
2.3 NITRURACIÓN
El proceso de nitruración puede ser definido como un tratamiento térmico
superficial que involucra la incorporación de nitrógeno atómico, por efecto de
un proceso difusivo, en la superficie y sub-superficie de un sustrato metálico
sólido. El objetivo principal de este proceso es el incremento de las
propiedades superficiales de los materiales metálicos por efecto de:
1. El incremento en la dureza superficial.
2. El incremento en la resistencia al desgaste.
3. El incremento en la resistencia a la fatiga.
4. El incremento en la resistencia a la corrosión.
5. La obtención de una superficie resistente al efecto de suavizado a
temperaturas por arriba de la temperatura de nitruración.
La nitruración produce en aceros ferríticos un fenómeno de endurecimiento
superficial debido a la formación de nitruros de alta dureza del tipo Fe3N y/o
Fe4N principalmente sobre la superficie del sustrato. El proceso se lleva a
cabo a temperaturas de entre 500 y 575° C, dependiendo del material y el
método, y está basado en un mecanismo de endurecimiento superficial por
difusión del N2 en la fase ferrítica. Adicional a la capa superficial de nitruros
de hierro, mejor conocida como capa blanca o zona de compuestos, existe la
formación de una región de mayores proporciones, conocida como zona de
difusión.
La zona de difusión, localizada por debajo de la capa de compuestos es
considerablemente más suave que la capa blanca, pero con durezas
superiores a las del sustrato sin tratamiento. Dicha capa está compuesta por
nitruros de los elementos aleantes dispersos en la matriz del acero y en
conjunto con la capa blanca proveen el incremento en las propiedades
previamente mencionadas.
15
CAPITULO II
Debido a la ausencia del requerimiento de un proceso de temple, con sus
respectivos cambios en volumen, y a las comparativamente más bajas
temperaturas empleadas en este proceso, la nitruración de aceros produce
menos distorsión y deformación que los procesos de carburizado o
endurecimiento convencionales. El proceso de nitruración puede producir
cierto grado de incremento en las dimensiones originales de una pieza
metálica, pero los cambios volumétricos son considerablemente pequeños
[10].
Los procesos de nitruración tienen la ventaja de que no requiere alcanzar el
campo de estabilidad de la austenita, hecho por el cual, se obtiene el mínimo
de distorsión y el excelente control dimensional antes mencionado.
El método para proporcionar el nitrógeno a la superficie de la pieza bajo
tratamiento varía considerablemente, existiendo fuentes de nitrógeno
gaseosas, líquidas o iónicas [11].
2.3.1 Métodos de Nitruración
En acuerdo con las características de la fuente del nitrógeno que será
incorporado en la pieza metálica a nitrurar, los métodos de nitruración
pueden clasificarse en tres tipos:
1. Nitruración en baño de sales
2. Nitruración gaseosa
3. Nitruración iónica
2.3.2 Nitruración en Baño de Sales
Este tipo de método de nitruración ha sido utilizado por décadas en diversos
ramos de la industria. El nitrógeno que se incorpora en la región superficial
de la pieza en tratamiento es derivado de un medio líquido consistente de
sales fundidas. La temperatura de éste baño de sales es usualmente entre
400 y 600°C. La nitruración en baño de sales es un proceso sub-crítico de
endurecimiento, por lo tanto, es posible el tratamiento de piezas terminadas
16
"CAPITULO II
debido a que mantiene la estabilidad dimensional de las piezas. La
nitruración líquida aporta mayor contenido de nitrógeno y menos carbono a
los materiales ferrosos en comparación con los obtenidos por medio de
tratamientos de difusión a altas temperaturas. El proceso tiene varias
características particulares y es aplicado a una extensa variedad de aceros al
carbono, baja aleación, aceros grado herramienta, inoxidables y hierros
vaciados [12]. La nitruración en baño de sales es un tecnología vieja con un
importante impacto ambiental negativo, hecho por el cual ha sido ya
prohibida en diversos países, existiendo una tendencia clara hacía su
desaparición y/o sustitución por las tecnologías de nitrurado gaseoso o iónico
[13].
2.3.3 Nitruración Gaseosa
El proceso de nitruración gaseosa se refiere a un método en donde la pieza
bajo tratamiento es expuesta a una corriente de gas amonio a presión
atmosférica. En éste método, la descomposición catalítica del amonio provee
el nitrógeno activo requerido para el subsecuente proceso difusivo y la
formación de las conocidas capa de compuestos y zona de difusión. Con el
objetivo de optimizar la estructura de tales capas, en ciertas ocasiones se
pueden agregar como gases aditivos nitrógeno e hidrógeno cuya mezcla
puede ser variada en un amplio rango para alcanzar propiedades
superficiales específicas [11].
2.3.4 Nitruración iónica
El proceso de nitrurado iónico también es conocido como nitruración por
plasma o nitruración en descarga luminosa. El proceso involucra la adición
selectiva de nitrógeno a la superficie de una muestra metálica en una
atmósfera al vacío usando comúnmente un plasma de baja energía. La
incorporación superficial de nitrógeno toma lugar, en este caso, vía una
mezcla gaseosa ionizada consistiendo comúnmente de nitrógeno e
17
CAPITULO II
hidrógeno [13]. En los siguientes párrafos se ahondará con mayor detalle en
las características de éste método.
2.3.5 Usos y aplicaciones de los aceros nitrurados
Diversas aleaciones de acero y hierro vaciado que se usan como
componentes de desgaste que incluyen: engranes, ejes de cigüeñales o
bielas, camisas de cilindros y pistones, son excelentes candidatos para el
proceso de nitruración iónica.
Los componentes utilizados en los sistemas de inyección de combustible
experimentan desgaste erosivo por el combustible y fatiga debido a los altos
ciclos de servicio mecánico y a la presión del combustible. La nitruración
iónica mejora considerablemente la resistencia a estos dos efectos, pues
incrementa la resistencia al desgaste debido a la formación de la capa
blanca. En consecuencia, ha aumentado el interés del uso del proceso iónico
en la industria de herramientas y moldes, etc. Este efecto es mejorado por un
subsecuente temple y revenido.
2.4 NITRURACIÓN IÓNICA
La Nitruración iónica o Nitruración por plasma es un método de
endurecimiento superficial que utiliza la tecnología de descarga luminosa
para introducir nitrógeno elemental en la superficie de una pieza metálica
para un subsecuente proceso difusivo hacia el interior del material. La
generación de un gas ionizado ó plasma en una atmósfera al vacío es
promovida por la aplicación de energía eléctrica de alto voltaje entre dos
electrodos inmersos en una mezcla gaseosa. A través de la asistencia de un
plasma, los iones de nitrógeno pueden ser acelerados e impactados en la
superficie de la pieza de trabajo. El bombardeo iónico calienta la pieza de
trabajo, limpia la superficie y provee nitrógeno activo. La nitruración iónica
tiene la ventaja de un mayor grado de control en la química y en la
uniformidad de la superficie nitrurada, así mismo, es de destacar su muy bajo
18
CAPITULO II
nivel de distorsión dimensional en comparación con las técnicas tradicionales
de nitruración (gaseosa). Una diferencia clave entre la nitruración iónica y la
nitruración gaseosa es el mecanismo utilizado para generar el nitrógeno en la
superficie de la pieza que está siendo procesada [14]
La técnica de plasma está basada en el fenómeno natural de ionización
gaseosa y el proceso de nitruración que utiliza este fenómeno es conocido
como nitruración iónica, aunque también es llamado "Nitruración por plasma",
"Nitruración en descarga luminosa" ó nitruración iónica por plasma. Derivado
de éstos tres procesos la técnica incluye sub-categorías como nitruración por
plasma en corriente directa continua ó nitruración iónica en descarga de
corriente directa pulsada.
El proceso de nitruración iónica está basado en el fenómeno de flujo de
corriente entre dos electrodos colocados en un medio gaseoso sellado a la
atmosfera. El gas dentro de un tubo actúa como un conductor eléctrico y
transporta la corriente de un lado hacia el otro como si fuera un alambre
conductor. Los átomos gaseosos se excitan y son propulsados a lo largo de
un "camino libre medio" muy corto colisíonando con otros átomos. Cuando
esto ocurre, existe la liberación de cierta cantidad de energía que se ve
reflejada como una luminosidad, de aquí que se le conozca al proceso
también con el nombre de "descarga luminosa". El color de ésta luminosidad
está determinado por el tipo de gas utilizado [15].
A temperatura y presión atmosférica, la energía resultante es muy baja como
para ser considerada como fuente de energía para calentamiento. Conforme
la presión es disminuida al orden de 0.1 Pa el "recorrido libre medio
molecular" se incrementa. La energía liberada debido a los impactos
moleculares es mayor pero es menos frecuente debido a la longitud del
camino libre medio molecular que cada molécula tiene que efectuar para
impactar a otra molécula. De esta manera entonces el plasma puede ser un
generador de calor, pero en una cantidad insuficiente para calentar la
superficie de las piezas de trabajo hasta la temperatura de procesamiento.
19
CAPITULO II
En otras palabras, debido a la baja frecuencia de los impactos moleculares,
la energía resultante no puede ser utilizada como medio de calentamiento.
No existe un valor de presión ideal para el nitrurado iónico, sin embargo,
existe un rango en el cual la presión puede ser ajustada para obtener los
parámetros de operación óptimos en un material con una geometría dada.
Este rango de presión se encuentra entre 50 y 500 Pa. El control de la
presión dentro de la cámara de proceso determinará el área de la
luminosidad sobre la superficie del acero. Si la presión es muy alta, la
luminosidad que rodea la pieza en tratamiento de volverá intermitente. La
formación de los nitruros no ocurrirá en las regiones en donde no se forma la
mencionada luminosidad. Adicionalmente, se pueden presentar aéreas con
alta temperatura localizada preferentemente en las esquinas que
sobrecalentaran el material. Si la presión es muy baja, la luminosidad que
rodea la pieza se verá muy dispersa resultado en un proceso de nitruración
poco efectivo en las superficies internas o huecos.
La presión es una de las principales variables que debe ser controlada. Si las
condiciones de presión son correctas y el voltaje es muy alto ocurrirá una
descarga con un comportamiento muy similar a un rayo. Este fenómeno es
conocido como descarga en la región de arco. Si el voltaje es muy bajo y la
presión muy alta, la descarga desaparecerá y nada ocurrirá.
2.4.1 Características de una descarga luminosa
Para entender los principios de una descarga luminosa es necesario referirse
a la curva de Paschen Figura. 2.1 [16]. La curva de Paschen es una
comparación del voltaje de entrada en relación a la densidad de corriente de
la superficie de una pieza metálica y los diversos eventos que tienen lugar
dependiendo del voltaje en relación a la densidad de corriente. El
entendimiento de la curva de Paschen permite la determinación de los
requerimientos de voltaje del proceso.
20
TCAPITULO II
Región no mantenida. La región no mantenida de la curva de Paschen
establece que si una diferencia de potencial es aplicada a un gas, los
electrones dentro del gas pueden ser cargados a un punto tal que ocurre un
fenómeno de ruptura dieléctrica. Este fenómeno puede ser relacionado con
la chispa que ocurre en un automóvil cuando la bujía es cargada con alto
voltaje. El aire que está presente en el gap de la bujía se carga
eléctricamente al punto en donde ocurre una chispa espontanea. En la
cámara de proceso los electrones del gas ionizado serán acelerados del
ánodo hacia el cátodo. Una vez que las colisiones moleculares inician debido
a la ionización del gas, ocurre un proceso de generación de energía (calor)
en la superficie de trabajo. Cuando el voltaje del proceso se incrementa, un
ocurrirá un incremento en la densidad de corriente. El nivel de ionización del
gas progresará en la siguiente fase de la curva de Paschen.
Región auto-sostenida (Descarga de Tounsend). La región auto sostenida
de la curva es el área en la cual la mayoría de los electrones pueden ser
liberados por el efecto de ionización adicional del gas, el cual perpetuará
cada vez más la ionización del gas. Esta región puede ser considerada como
una reacción en cadena.
21
CAPITULO II
.".(MI
.'[)()()
IM1II
1000
500
Current, A
Figura. 2.1. Curva de Paschen que muestra la relación entre el voltaje y la corriente ylas diversas características de una descarga luminosa [16].
Región de transición (Corona). La densidad de corriente incrementará si laresistencia limitadora de corriente es reducida, causando así una caída de
voltaje entre la pieza de trabajo (cátodo) y las paredes internas de la cámara(ánodo). En esta región de la curva no puede mantenerse la estabilidad del
voltaje.
Descarga luminosa sub-normal. En esta región, la descarga luminosa
inicia su encendido aunque lucirá muy difusa.
Región de descarga normal. Este es el punto en la curva de Paschen endonde la descarga luminosa se aprecia completamente cubriendo la
superficie de la pieza de una forma homogénea. Su espesor serádeterminado por la presión de vacío de la cámara y el voltaje del proceso.
Región de descarga anormal. Esta es una región en la que la descargaluminosa se cubre completamente de manera uniforme la totalidad de la
superficie de la pieza. En este punto la presión del proceso debe serajustadapara asegurar la penetración del plasma en los huecos y cavidades. Es en
22
CAPITULO II
esta región en donde ocurren los procesos de nitruración ya que es en donde
existen las condiciones ideales.
Región de descarga de arco. Conforme la densidad de corriente
incrementa, ocurrirá un incremento considerable en la caída del nivel de
voltaje, causando un incremento apreciable en la densidad de energía en la
superficie de la pieza de trabajo. Con el incremento en la densidad de
energía, la temperatura en la superficie de la pieza de trabajo incrementará a
un punto de sobrecalentamiento, resultando en problemas metalúrgicos
como crecimiento de grano, fusión localizada y picaduras. A medida que la
intensidad de la energía se incrementa, incrementa drásticamente la
posibilidad de ocurrencia de un arco. Cuando ello ocurre, el arco será visible
a través de la mirilla de la cámara como un relámpago [15]
2.4.2 Descargas luminosas pulsadas CD.
En una descarga luminosa pulsada la energía es aplicada en una forma
periódica y no continua. Los principales parámetros que determinan tanto las
características como el desempeño de una descarga luminosa pulsada son
la frecuencia, la longitud del pulso (Tiempo en el cual la energía es aplicada
íon ó tiempo de pulso TP) y el ciclo de trabajo (CT). La Figura. 2.2 presenta
de forma gráfica las características de una señal de voltaje pulsado. En la
actualidad este tipo de descargas se han vuelto muy populares en una serie
de aplicaciones tanto de procesamiento de materiales como para técnicas
analíticas, debido a las considerables ventajas comparadas con las
descargas luminosas de corriente continua. Algunas de estas ventajas se
describen a continuación.
Además de los parámetros típicos de las descargas continuas como el
voltaje, la corriente y la presión, en las descargas pulsadas se tiene un fino
control sobre la frecuencia, el ciclo de trabajo y el tiempo de pulso. El control
adecuado de estos parámetros permite disminuir considerablemente la
ocurrencia de arcos eléctricos durante el procesamiento de piezas metálicas,
23
CAPITULO II
los cuales son una problemática importante cuando se usan descargas
continuas. De la misma forma, se ha reportado que las tazas de erosión
catódica ó sputtering se ven considerablemente disminuidas cuando se
utilizan descargas de corriente directa pulsada.
-
Ciclo de trabajo (%) =Tiempo pulso / PeriodoFrecuencia (Hz) =Número de periodos / segundo
Periodo
•¡/T -
o
>
oTiempo
de pulso
(T;.)
i ' 1 i
Tiempo (S)
Figura. 2.2. Ilustración esquemática de una señal de voltaje pulsado utilizado para la
generación de una descarga luminosa pulsada.
Así mismo, es posible controlar la cantidad de calor que se transmite a una
pieza metálica durante su procesamiento mediante el control de los
mencionados parámetros. Como resultado del control y la disminución del
calentamiento de la pieza que está siendo procesada, las descargas
pulsadas permiten la utilización de voltajes transitorios considerablemente
mayores que los continuos utilizados en las descargas continúas. Así,
mientras que los rangos típicos de voltaje en una descarga continua son
entre 600 y 1200V, las descargas pulsadas pueden utilizar voltajes
transitorios en un rango de 600 a 3000 Volts.
Del mismo modo, las corrientes utilizadas para ambas descargas son
considerablemente diferentes. El modo continuo utiliza corrientes de decenas
de mA, mientras que en el modo pulsado es posible utilizar corrientes
transitorias de decenas o cientos de mA. Cabe destacar, que como
consecuencia del uso de voltajes y corrientes transitorias de mayor magnitud,
24
CAPITULO II
las descargas luminosas pulsadas promueven el incremento en el nivel de
ionización y de la eficiencia de excitación dentro del pulso mismo, factores
que han sido relacionados directamente con los resultados obtenidos durante
el procesamiento de materiales mediante tecnologías de descargas
luminosas pulsadas. El proceso pulsado promueve diferentes grados y
mecanismos de excitación y ionización de las especies lo cual ocurre tanto
en el inicio como durante y después del pulso [17,18,19].
Durante el proceso de descarga luminosa, diferentes elementos aleantes o
átomos de hierro se combinan con el nitrógeno. De esta manera, difunde el
N+ en el material, formando una superficie endurecida. La Figura. 2.3
muestra este mecanismo para el hierro. La caída de potencial mayor está
cerca de la pieza de trabajo por lo que esta es donde los iones tienen mayor
energía cinética y es aquí donde el plasma tiene un resplandor brillante.
La corriente de nitruración (proporcional al flujo de electrones ionizados),
temperatura y el tiempo de procesamiento determinan la profundidad del
nitrurado obtenido. Mientras que la uniformidad de la descarga luminosa
determina el nivel de homogeneidad en el nitrurado, especialmente en piezas
con geometrías complejas como engranes ó inyectores [15].
25
i
CAPITULO II
Caída del
cátodo
1
| Plasma |• C
©
Figura. 2.3 Mecanismo de descarga luminosa en la nitruración iónica.
2.4.3 Equipo para nitrurado iónico
Un sistema básico para nitruración iónica de muestras metálicas es mostrado
de forma esquemática en el diagrama de la Figura. 2.4. El equipo consiste
básicamente, de una cámara al vacío, una fuente de poder para generación
de plasma y un sistema de control de inyección de gases. Es necesario
contar con una platina/accesorio para soporte de las piezas de trabajo, la
cual debe estar aislada eléctricamente del reactor pues corresponde, junto
con las piezas bajo proceso, al cátodo del sistema. De la misma forma, el
equipo debe incluir sistemas de calentamiento y enfriamiento para
mantenimiento y control de la temperatura del proceso así como para
protección de los sistemas de sellado al vacío.
26
Controlador de
Temperatura
Bomba de Vacío
CAPITULO II
Sensor de Presión
Fuente de poder
Controlador flujo
músico
Figura. 2.4. Diagrama esquemático de un reactor para nitruración iónica.
Una parte de considerable importancia en la operación de los sistemas de
nitrurado iónico es el sistema de monitoreo y control general, los cuales
varían de acuerdo a su complejidad, destacando de forma generalizada los
sistemas con microprocesadores. Los sistemas de control deben tener la
capacidad para monitorear y controlar parámetros como la temperatura de
trabajo, la presión de vacío, el voltaje y la corriente en la descarga luminosa,
la proporción de la mezcla gaseosa principalmente. Así mismo, el
controlador debe monitorear las distintas entradas y salidas necesarias que
activan/paran o secuencian las válvulas y motores.
Con el objetivo de describir de una forma más detallada las características de
cada uno de los subsistemas que integran un equipo para nitrurado iónico, a
continuación se analiza, de forma independiente, cada uno de éstos
subsistemas:
27
CAPITULO II
2.4.3.1 Reactor al vacío
El reactor al vacío es el cuerpo representativo del proceso de nitruración.
Consiste de una cámara de acero (Generalmente inoxidable), con diseños
particulares en función a la cantidad y el tipo de piezas que se pretenden
nitrurar, de forma tal que existen diseños tanto verticales (tipo campana)
como horizontales. El cuerpo del reactor debe estar diseñado para soportar
la diferencia de presiones entre el interior y el exterior de la cámara, por lo
que de forma regular consiste de una sección cilindrica con uno o ambos
extremos en forma toriesférica. De manera industrial, los reactores cuentan
con un sistema de doble chaqueta, el cual permite la recirculación de un
refrigerante dado, con el objetivo de mantener las paredes del reactor a una
temperatura adecuada, de modo tal que no se dañen los sellos de vacío, los
cuales generalmente son fabricados de vitón, un polímero de alta resistencia
térmica (280°C).
El reactor cuenta con una platina o accesorio porta muestras cuya
configuración se adapta a las piezas que se procesarán. Tal platina cuenta
con una base aislante, usualmente cerámica, que permite el aislamiento
eléctrico entre el reactor (Ánodo) y la propia platina (Cátodo). Una serie de
pasamuros eléctricos, para termopar y gaseosos. Las mirillas son colocadas
alrededor del reactor y proveen una vista del tratamiento de nitruración
iónica. De esta manera sirven para comprobar la carga y asegurarse que
ninguna perturbación o impureza perjudique el proceso.
2.4.3.2 Fuente de poder para generación de plasma
La fuente de poder es el componente más importante del sistema de
nitruración iónica. La fuente de alimentación debe proporcionar un voltaje de
salida de 0 a 1000 V y una corriente de salida adecuada al tamaño del
reactor y la de la pieza a cargar. Generalmente, las corrientes son
dimensionadas en el rango de 25 a 450 A. La cantidad de energía aplicada a
la carga a través de la fuente para generación de plasma contribuye al
28
CAPITULO II
calentamiento de las piezas bajo proceso. La mayoría de los suministros de
poder proporcionan un control de salida proporcional a través de circuiros
basados en rectificadores controlados de silicio (SCR).
Una consideración importante en el diseño de la fuente de poder para
generación de plasma es la detección/supresión y control de arcos. La
formación de los arcos puede ocurrir debido al proceso de descarga
luminosa, causando desprendimientos superficiales del material del sustrato
y/o de impurezas presentes en la superficie del mismo. Los arcos generados
disminuyen abruptamente el voltaje incrementando la corriente y su
ocurrencia debe ser continuamente monitoreada.
2.4.3.3 Atmósfera y control de la presión
El controlador de la mezcla de gases es usado para la combinación de
gases. Usualmente se usa nitrógeno, hidrógeno y metano. Una composición
típica para una capa compuesta por y' debe ser 75% de H2 y 25% de N2.
Para una capa compuesta por e, generalmente debe ser una mezcla gaseosa
de 70% de N2, 27% de H2 y 3% de CH4. La mezcla es generada por
inyección de flujos de gases y, manteniendo la presión igual según el tiempo
de flujo para establecer la concentración en un porcentaje correcto. Otra
manera de mezcla es a partir del control de flujo másico. La nitruración iónica
se realiza a niveles de una presión absoluta de 130 a 1300 Pa. Por lo general
se requiere un medio para controlar la presión. El control se realiza en dos
etapas. En primer lugar una válvula mecanizada en la línea de entrada del
reactor, en serie con el controlador de la mezcla de gases,
proporcionalmente controla el flujo de gas hasta un nivel máximo. En este
punto, una acción inversa de la válvula que actúa sobre la línea de
evacuación entre el reactor y la bomba de vacío controla la cantidad de gas
que está siendo evacuada hasta que se cumpla el punto establecido.
Adicionalmente se requieren de algunos accesorios para mantener o encubrir
las piezas de trabajo que mecánicamente están diseñadas para la colocación
29
CAPITULO II
de la carga o el rendimiento. La fijación debe reducir el número de huecos
entre las áreas de descarga luminosa para evitar una sobre-exposición
(disturbios en los huecos del cátodo) de la sobre luminiscencia. Además, la
sección transversal del recubrimiento debe ser similar a la pieza de trabajo
para permitir una mejor uniformidad en la temperatura.
2.4.3.4 Sistema auxiliar de calentamiento
Si las piezas de trabajo son grandes, es necesario utilizar un auxiliar de
calentamiento, cuando el proceso de descarga luminosa es insuficiente para
el calentamiento directo. Un recalentamiento se obtiene por el
precalentamiento del cátodo y calentamiento por resistencia. En el caso del
precalentamiento del cátodo, se produce durante las primeras etapas del
proceso de nitruración iónica. Esto requiere de un escudo interno, el cual
está aislado eléctricamente de la pared del reactor. Este escudo es calentado
y cargado eléctricamente e irradiando calor a la pieza cargada, lo que
permite un calentamiento más rápido. Para el calentamiento por resistencia,
se usa una fuente de energía de corriente alterna de bajo voltaje, como un
transformador de reactancia que es unido (conectado) al grafito o elementos
de aleación, los cuales son calentados. Como el precalentamiento del
cátodo, los elementos se calientan e irradian calor a la pieza de trabajo para
apresurar el tiempo de calentamiento [5].
2.4.4 Control del proceso
Los parámetros del proceso que requieren un buen control son:
a) Densidad de corriente
b) Potencia
c) Presión de la cámara del proceso
d) Composición del gas
La instrumentación para mejorar el control de estos parámetros, es una
computadora personal, una combinación de controladores lógicos
30
"
CAPITULO II
programables (PC/PLC) ideal para los procesos de nitruración por plasma
[2].
Otras consideraciones para el equipamiento y procesamiento de nitruración
iónica.
Otras importantes consideraciones asociadas con la nitruración iónica
incluyen el efecto del cátodo hueco, limpieza por sputtering, carga del horno,
relación entre voltaje-presión, recubrimientos de las piezas de trabajo
(cuando se requiere) y las opciones de configuración del horno o reactor [2].
2.5 PROGRAMAS COMPUTACIONALES PARA DISEÑO Y
SIMULACIÓN MECÁNICA DE SISTEMAS DINÁMICOS
Hoy en día el uso de la tecnología ha sido de gran ayuda en el desarrollo de
nuevos productos y el incremento en la calidad de los mismos, el avance en
los software de diseño y simulación son una de las principales causas de
llevar al mercado productos innovadores y de mejor calidad ya que con el
apoyo de estas herramientas se han logrado resolver problemas de
ingeniería, ya que los programas de simulación permiten obtener soluciones
aproximadas de problemas de la vida real que pueden ser representados por
un sistema de ecuaciones diferenciales. Además de una reducción del
tiempo en la elaboración de un producto, el uso de los programas de diseño
y simulación dan al diseñador una mejor visión del producto antes de su
terminación y poder ajustar detalles previo al desarrollo de un prototipo.
En este capítulo se presenta de manera breve información sobre los
diferentes tipos de software de simulación actualmente utilizados en la
industria, estos software se basan en el método de elemento finito (MEF), la
cual es una técnica que permite obtener una solución aproximada de
problemas reales que están definidos por ecuaciones diferenciales
complejas.
31
CAPITULO II
El proyecto de maestría está dirigido hacia el diseño y la simulación de un
dispositivo para procesar pernos a granel por nitruración iónica de manera
dinámica, es decir, generar un movimiento de los pernos dentro del reactor
de nitruración permitiendo así una difusión la totalidad de la superficie del
perno. Por lo tanto, las simulaciones propuestas para la validación del
dispositivo principalmente tienen que ser simulación mecánica del
movimiento de los pernos y de capacidad de carga del dispositivo. Los
software utilizados en la actualidad tienen diversos módulos de operación
que permiten o limitan cierto tipo de simulaciones que se pueden desarrollar,
por lo tanto la selección del software debe ser de acuerdo al desarrollo de las
dos simulaciones anteriormente mencionadas.
2.5.1 Abaqus
Es un software de elementos finitos y fue desarrollado a finales de la década
de los setenta por David Hibbitt, Dr. Bengt Karlsson y P. Sorensen. Hoy en
día, ABAQUS se utiliza en diversos sectores industriales tales como el
nuclear, automotriz, aeroespacial, eólico, biomedicina e industrias de
consumo. El software de análisis por elemento finito dispone de los
siguientes módulos:
y ABAQUS/CAE
> ABAQUS/Standard
> ABAQUS/Explicit
> ABAQUS/CFD
Abaqus/cae
ABAQUS/CAE constituye una herramienta eficaz y muy personalizare para
crear modelos de elementos finitos de forma interactiva, visualizar resultados
de los análisis y la automatizar de procesos mediante scripts o subrutinas en
lenguaje Python. Python es un lenguaje de programación libre que es
empleado en varios software CAE para desarrollar algoritmos de
optimización, también es útil para realizar interfaces entre software y crear
32
J
CAPITULO II
comunicación entre ellos, con la condición de que manejen script Python
internamente [20].
En este módulo se pueden generar modelos de elementos finitos a partir de
una geometría creada en el propio programa o importarla directamente a
partir de los formatos CAD más comunes, o bien, también importar
directamente la malla de otro software de elementos finitos, como por
ejemplo MSC. Nastran.
ABAQUS/Standard
ABAQUS/Standard permite resolver los análisis tradicionales de elementos
finitos de tipo implícito tales como, análisis estáticos, dinámicos a baja
velocidad (tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia), térmicos,
etc. incluyendo contactos y no linealidades de material. ABAQUS/Standard
está integrado en ABAQUS/CAE para todo el pre y post-procesado del
análisis.
ABAQUS permite comenzar un análisis en ABAQUS/Standard y utilizar los
resultados como condiciones iniciales de un análisis en ABAQUS/Explicit, y
viceversa.
ABAQUS/Explicit
ABAQUS/Explicit fue introducido en 1991 como un solver explícito adecuado
para análisis dinámicos a muy alta velocidad y análisis quasi-estáticos, en los
cuales las no linealidades son patentes, tales como contactos, grandes
deformaciones, etc. Ejemplos de este tipo de aplicaciones son los análisis de
choque en el sector automotriz, balística, pruebas de caída libre, procesos de
estampado y forjado. ABAQUS/Explicit está integrado en ABAQUS/CAE para
todo el pre y post-procesado del análisis.
ABAQUS/CFD
Abaqus/CFD es un módulo que permite realizar análisis de fluido dinámica o
CFD (Computational Fluid Dynamics) integrado en el pre y post-procesado
33
CAPITULO II
ABAQUS/CAE. Resalta la capacidad de realizar simulaciones acopladas con
interacción fluido-estructura tanto de tipo estructural como térmico [21].
De acuerdo a los módulos del software abaqus, abaqus standard es la
opción más apropiada para el desarrollo de las simulaciones propuestas.
2.5.2 Cosmos Works
Cosmos Works es un eficaz software de validación y optimización de diseños
muy fácil de usar, totalmente integrado con el software de Solid Works.
COSMOS Works es la herramienta ideal para los ingenieros que necesitan
utilidades para análisis y no están especializados en el análisis por
elementos finitos. Está disponible en tres ediciones, COSMOS Works
Designer, COSMOS Works Professional y COSMOS Works Advanced
Professional
COSMOS Works Designer
Para mejorar la calidad de los productos identificando las áreas que son más
susceptibles de errores y deficiencias. Además, podrá reducir los costes
eliminando el exceso de material y minimizando la necesidad de realizar
prototipos físicos.
Cosmos Works designer sirve para Comparar diseños alternativos rápida y
fácilmente tales como estudiar los esfuerzos, tensiones y desplazamientos,
para Estudiar la interacción entre diferentes componentes del ensamblaje,
Simular condiciones de funcionamiento reales, Automatizar las tareas de
análisis, Interpretar los resultados de los análisis con unas herramientas de
visualización potentes e intuitivas.
COSMOS Works Professional
Además de su funcionalidad para la validación de diseños que contiene
COSMOS Works Designer, COSMOS Works Professional ofrece
34
CAPÍTULO II
capacidades de análisis ampliadas que incluyen simulaciones de pruebastérmicas, frecuencia, pandeo, optimización, fatiga ypruebas de caída.
COSMOS Works Advanced Professional
El software completo de validación de diseños para ingenieros de productoexperimentados. Además de la funcionalidad de validación de diseños quecontiene COSMOS Works Professional, COSMOS Works AdvancedProfessional ofrece a los analistas una selección ampliada de funciones deanálisis que incluyen análisis no lineal, dinámicos ycompuestos. Se puedenrealizar análisis dinámicos de piezas yensamblajes, por ejemplo: se puedenestudiar los análisis de respuesta dinámica debido a la carga histórica entiempo, la entrada del espectro de respuesta, la entrada harmónica delestado constante ylas excitaciones de vibración aleatoria22.
2.5.3 Nastran
NX Nastran es un solver avanzado de simulación yanálisis por elementosfinitos adaptable a diferentes entornos de ingeniería.
Desde hace más de 30 años, Nastran es la herramienta de análisis ysimulación por excelencia en la industria aeronáutica, aeroespacial, defensa,automotriz, construcción de barcos, maquinaria pesada, bienes de equipo,medicina yproductos de consumo, es decir, todo un estándar industrial ensimulación e ingeniería asistida por ordenador (CAE) para el cálculo detensiones, vibraciones, durabilidad, fatiga, ruido, acústica yaeroelasticidad.
Es encuentra disponible en dos versiones, "NX Nastran Enterprise" y "NXNastran Desktop" Ambas versiones Enterprise y Desktop son la misma encuanto a configuraciones de módulos, sólo difieren en el mecanismo delicencia y el empaquetado.
Uno de los módulos de interés de este programa es el NX NASTRAN RotorDynamics el cual es un nuevo módulo de análisis dinámico que le permite alingeniero desarrollar diseños que trabajen por encima de la velocidad crítica
35
CAPITULO II
de giro en sistemas rotativos sujetos a fuerzas giroscópicas como la de
Coriolis y fuerzas centrífugas que en general no están presentes en sistemas
estacionarios. Con este módulo se pueden simular cargas más fácilmente en
sistemas rotativos, realizar análisis síncronos y asincronos para generar los
diagramas de Campbell, predecir frecuencias y velocidades críticas y
detectar inestabilidades en componentes rotativos. Este módulo ofrece
diferentes capacidades incluyendo la capacidad de realizar un análisis modal
dinámico tal como la velocidad rotacional coincidente con el modo crítico del
rotor y obtener resultados síncronos [23].
2.5.4 Ansys
Ansys, al igual que los anteriores también es un software de diseño que
permite realizar tareas como: construir o importar modelos de estructuras,
productos, componentes o sistemas, aplicar cargas a un elemento deseado y
estudiar las respuestas físicas tales como esfuerzo y temperatura o campos
electromagnéticos, optimizar diseños existentes y realizar pruebas virtuales
en componentes que están en la etapa de diseño [24].
Ansys también ofrece procesos de malleo, pre proceso y post proceso de
análisis orientado a ingeniería y diseño mecánico, térmico, fenómenos en
fluidos y aplicaciones específicas. En breve se describen sus módulos
principales por disciplina
Análisis multiphisics: esta herramienta combina ejercicios de análisis
estructural, térmicos, fluidos, acústicos y de electromagnetismo.
Ansys Design space: herramienta fácil de usar que provee las bases para
conceptualizar el diseño y validar las ideas. Este módulo provee las
herramientas de análisis básicas.
Ansys fatigue: como su nombre lo indica, es una aplicación orientada a
simular análisis de ciclos de carga y determinar ciclos de vida.
36
CAPITULO II
Ansys mechanical: se utiliza para resolver situaciones estructurales lineales,
no lineales y análisis dinámico.
Ansys Professional: es la aplicación de entrada a análisis avanzados,
contiene la tecnología de Ansys y sus principales capacidades de simulación
para ensamble complejos.
Existen dos módulos de Ansys exclusivos para el análisis de fluidos, los
cuales son:
Ansys CFX, es un programa de propósito general de CFD (Computational
Fluids Dynamics) usadas para análisis y simulación de todos los niveles y
complejidades, tiene herramientas de modelado, malleo y simulación de flujo
El Ansys fluent: es un programa de análisis de fluidos poderoso y flexible
para CFD, orientado a una amplia gama de aplicaciones de modelado y
simulación [25].
2.5.5 Comsol
Es un software de simulación de ambientes diseñado para aplicaciones del
mundo real. La de éste es imitar como sea posible los efectos que se
observan en la realidad. Es por ello que existe la necesidad de considerarlo
multifísico.
Este software sirve para modelar y resolver toda clase de problemas
científicos y de ingeniería basados en ecuaciones diferenciales parciales
(PDEs). Con este software se puede ampliar fácilmente los modelos
convencionales físicos de un tipo dentro de multifísicos y resolverlos juntos al
mismo tiempo. Acceder a este poderoso software no requiere de un
conocimiento profundo de matemáticas o análisis numérico. Gracias a la
incorporación de modos físicos es posible la construcción de modelos por la
definición de cantidades físicas tales como, propiedades del material, cargas,
limitaciones, fuentes y flujos adicionales mediante la definición de las
ecuaciones subyacentes. Estas variables se pueden aplicarse siempre como
37
TCAPITULO II
expresiones o números directamente a los sólidos dominantes, fronteras,
bordes y puntos independientemente de la malla computacional. Comsol
internamente compila un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales que
representan un modelo.
Usando los modos de aplicación se pueden realizar varios tipos de análisis
incluyendo:
k Análisis estacionario dependiente del tiempo
r Análisis lineal y no lineal
r Análisis modal y de frecuencia propia
Cuando Comsol Multiphisics está resolviendo modelos usando la
metodología de elementos finitos, el solver corre el análisis por elemento
finito junto con un malleo adaptable y un control de errores usando una
variedad de solvers numéricos.
Las ecuaciones diferenciales parciales son las bases de las leyes de la
ciencia y proporcionan las bases de la modelación en un amplio rango de
fenómenos científicos e ingeníenles. Estos son algunos ejemplos: acústicos,
reacciones químicas, difusión, electromagnéticas, dinámica de fluidos,
transferencia de calor, estructuras mecánicas, fenómenos de transporte entre
otros [26].
Los módulos de Comsol son los siguientes:
AC/DC Module
k Acoustics Module
'r- Chemical Engineering Module
^ Earth Science Module
r Heat Transfer Module
MEMS Module
r RF Module
r- Structural Mechanics Module
38
CAPITULO II
Con la búsqueda de información de algunos software que hay en el mercado
se puede decir que:
> Todos los software de diseño y simulación se basan en la metodología
de análisis por elemento finito la cual consiste en fraccionar la geometría a
analizar en pequeñas partes a la cual se aplicará una ecuación diferencial
parcial dando resultados más precisos cuando las fracciones son más
pequeñas, pero contando más trabajo para la maquina en la resolución del
problema
2.6 Diseño de sistemas.
2.6.1 Proceso de Diseño
El diseño es un proceso creativo, iterativo y de toma de decisiones en el que
se conjuntan la lógica y la ciencia con una serie de requerimientos o
necesidades puntuales, permitiendo concebir productos con características
particulares y funciones específicas. Actualmente, no existen teorías de
diseño aceptadas de forma universal, sin embargo existen diversas
tendencias o metodologías dirigidas a ramas específicas de la ciencia y la
tecnología, que permiten realizar de forma integral las actividades del diseño.
El diseño para manufactura (DPM) puede definirse como un sistema integral
focalizado en el incremento en la competitividad de las empresas
manufactureras a través del desarrollo de diversos productos caracterizados
por ser de fabricación más fácil, más rápida y más barata, manteniendo los
estándares requeridos de funcionalidad, calidad y comercialización. En este
sentido, el diseño para manufactura es sinónimo de la ingeniería simultánea
o concurrente o el desarrollo de productos integrados. De una forma más
directa, puede decirse que el DPM se focaliza en el entendimiento de cómo
el diseño de un producto se interrelaciona con la disponibilidad de procesos,
sistemas y componentes para la fabricación de dicho producto. El objetivo es
39
CAPITULO II
concebir y retinar alternativas de diseño que tiendan a optimizar el producto
en el contexto de las capacidades de manufactura existentes o proyectadas.
El resultado del proceso de diseño ingenieril consiste de forma típica, en un
conjunto de dibujos que detallan las características y estructura del sistema,
incluyendo entre otras, tamaño, forma, materiales, y cantidades de
componentes. Así mismo, se incluyen estudios, datos, cálculos, análisis,
interpretaciones y los reportes requeridos para soportar la selección de un
diseño en particular y su eventual fabricación.
De forma general, no existen teorías exactas que describan tanto las
actividades involucradas como la forma en la que estas deben conjuntarse
en el proceso de diseño. Así, el diseño es practicado tanto por individuos
como por grupos dentro tanto en todas las vertientes de la ingeniería como
en otras ramas, por lo que no puede decirse que existe un único estilo
correcto para todas las ramas de la ciencia. De esta forma, debido a que la
transición de un requerimento especifico a un diseño final invariablemente
involucra factores como la experiencia, la intuición y la creatividad del
diseñador individual o equipo, no existe una solución única a un problema de
diseño específico. A pesar de ello, existe un importante consenso, desde
diferentes puntos de vista, del proceso generalizado del diseño y este mismo
se muestra en la Figura. 2.5.
Evaluación de la
necesidad o el
requerimiento
rDefinición del
Problema
Síntesis
del diseño
Parametrización
y análisisClasificación y
selección
TPrototipado
y prueba
Especificaciones del
sistema
objetivos/limitaciones
Diseños conceptuales
preliminares
Diseños detallados y
estimación del
desempeño
Selección de un
diseño
Diseño final
Figura. 2.5 proceso para el desarrollo de un diseño
40
CAPITULO II
2.6.2 Definición del problema.
El proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad
específica y la reducción de ésta necesidad a un conjunto de
especificaciones precisas para la construcción del sistema. La definición de
las especificaciones del sistema para un problema de diseño dado
normalmente requiere de una etapa de interacción con el cliente con el
objetivo de asegurar que el problema de diseño está bien entendido, las
metas y objetivos del diseño están claros y que el éxito de diseños
alternativos pueda ser medido cuantitativamente.
La principal contribución del método sistemático para el proceso de diseño es
el énfasis y la atención que se le da a una adecuada definición del problema.
Gibson et al.[27] refieren lo fundamental de la interacción con el cliente para
definir puntualmente el entorno en el que se plantea el problema de diseño y
en el que la solución de diseño funcionará y será evaluada. De esta forma,
se evitará el hecho de que las necesidades planteadas sean abordadas de
una forma errónea desde el principio del proceso de diseño.
2.6.3 Síntesis del Diseño
Una vez que se ha definido de forma clara el problema, la siguiente tarea en
el proceso de diseño es generar diseños alternativos u opciones de diseño
con capacidad para satisfacer los requerimientos del sistema. De forma
general puede considerarse que no existe una solución única para el
problema de diseño, por lo que las especificaciones podrán cumplirse en un
gran número de formas. Por lo general hay una gran cantidad de soluciones
adecuadas, algunas de las cuales pueden ser identificadas como mejores
que otras. Por otra parte, debido a que los objetivos de diseño son muchos,
algunas soluciones pueden ser preferidas con respecto a ciertos objetivos,
mientras que otras soluciones pueden preferirse respecto a objetivos
diferentes.
41
CAPITULO II
Comúnmente, se suele pensar en las opciones de diseños alternativos como
puntos en un "espacio de opciones o diseño". Este espacio de opciones es
el conjunto de posibles configuraciones y decisiones del sistema y
representa toda la gama de opciones disponibles para el diseñador. Para
problemas complejos, la definición del espacio de opciones puede ser una
tarea muy difícil. Sin embargo, esta tarea se puede de cierta forma ser
simplificada, mediante la descomposición en dos subtareas, síntesis del
diseño y parametrización, las cuales puede ser abordado de forma
secuencial, pero iterativa. Hazelrigg (1996)28 define la síntesis de diseño
como la tarea de generar configuraciones de sistemas factibles, incluyendo
tanto los elementos físicos como los no físicos de un sistema.
2.6.4 Parametrización y análisis.
El resultado de la síntesis del diseño es la selección de un conjunto de
diseños preliminares o conceptuales, para el sistema. Tales diseños
conceptuales requieren convertirse en diseños detallados para cada uno de
los componentes y subsistemas. Este paso requiere de la identificación
precisa de los parámetros del sistema y la selección de los valores de dichos
parámetros. Hazerligg (1996) [28] define esta tarea de parametrización de
diseño como la identificación de cantidades numéricas que especifican cada
elemento en el sistema y sus rangos permisibles. Una especificación de
sistema consiste de un conjunto de valores de los parámetros del sistema en
conjunto con la configuración del sistema.
La parametrización de un diseño conceptual y el análisis del desempeño del
diseño detallado resultante, están ligados estrechamente mediante un
circuito iterativo. El propósito de tales iteraciones es, primero, encontrar un
diseño detallado que cumpla o exceda todas las especificaciones de diseño
y, subsecuentemente, encontrar parametrizaciones alternativas que mejoren
el desempeño. Para cada diseño conceptual, se propone una
parametrización inicial basada en la experiencia y en heurística. Por medio
de una metodología de análisis apropiada, se estima el desempeño del
42
,
CAPITULO II
correspondiente diseño detallado con respecto a las especificaciones de
diseño. Basado en este desempeño estimado, se determina una nueva
parametrización. El proceso iterativo de parametrización y análisis del
desempeño continúa hasta que el diseñador se encuentra satisfecho
respecto a una exploración suficiente del espacio de parámetros.
2.6.5 Clasificación y selección
La clasificación de los diseños alternativos y la selección final del diseño
preferido involucra la selección de la mejor parametrización del mejor diseño
conceptual. Mientras la mejor parametrización de un diseño conceptual dado
puede algunas veces ser determinado por la solución de un problema de
optimización determinístico, de forma general este paso debe ser catalogado
como un problema de decisión de múltiples objetivos.
2.6.6 Prototipado y prueba.
El último paso en el proceso de diseño involucra la fabricación y evaluación
de prototipos o sistemas. Para el caso de artículos de producción en masa,
esta oportunidad existe para la revisión de especificaciones y detalles de
diseño para la mejora del desempeño. Este hecho puede resultar en la
fabricación de diversas generaciones de prototipos y productos actuales,
cada una relacionada con un intento de mejora sobre el diseño original.
Para el caso de sistemas grandes y costosos la fabricación de diversos
prototipos no siempre es viable, sin embargo, de forma común para estos
casos las especificaciones y elementos de diseño son revisados durante la
fabricación y las pruebas de operación. Tales revisiones pueden ser hechas
con el fin de mejorar la producibilidad, operabilidad y funcionalidad con el
objetivo de reducir el número de operaciones y/o los costos de
mantenimiento.
Los cambios en el diseño realizados en esta última etapa del proceso son
considerablemente más caros que los cambios realizados durante las etapas
43
CAPITULO II
iniciales del ciclo de diseño. Tales modificaciones implican una serie de
costos asociados con los procesos de desecho de producto y re-trabajo entre
otros. Cambios significativos en esta etapa implican adicionalmente retrasos
en los tiempos establecidos así como el incremento en los tiempos para
disponibilidad del producto en el mercado. Con el objetivo de disminuir al
máximo el requerimiento de cambios en las etapas finales del proceso de
diseño, el desarrollo de herramientas de diseño asistido por computadora
(CAD) ha contribuido de forma muy importante a la identificación "en dibujo",
de posibles problemas de diseño. Así mismo, los conceptos de diseño para
manufactura (DFM) e ingeniería concurrente, han ayudado a anticipar de
forma muy importante, el número de defectos de diseño relacionados con el
concepto del producto, la producción y la postproducción del mismo [29].
2.6.7 Herramientas para diseño.
El diseño asistido por computadora CAD, por las siglas en ingles de
"Computer Assisted Design" tiene como objetivo la conversión de una ¡dea
inicial de un producto en un diseño ingenieril detallado, a través del uso de
hardware and software computacional moderno. El desarrollo de un diseño
típico involucra la creación de modelos geométricos del producto, los cuales
pueden ser manipulados, analizados y refinados. En el CAD, los dibujos ó
planos ingeníenles tradicionales son reemplazados por gráficos
computacionales que son utilizados para visualizar el producto y comunicar
la información del diseño.
Tanto la estimación del desempeño como el costo del diseño de los
prototipos diseñados, pueden ser estimados a través del uso de programas
de análisis (basados en computadora). Así mismo, a través de tales
programas pueden calcularse los valores óptimos de los parámetros de
diseño. Cuando los mencionados programas se combinan con CAD, tales
análisis automatizados y capacidades de optimización son conocidas de
forma general como ingeniería asistida por computadora (CAE por sus siglas
en ingles de Computer-aided engineering).
44
CAPITULO II
Por otro lado, los procesos de manufactura asistida por computadora CAM,
por las siglas en ingles de Computer-Assisted Manufactring, están
relacionados con el procesos de conversión, a través del uso de sistemas
computacionales, de un diseño ingenieril en un producto final. La producción
de tales productos requiere la creación de planes de proceso y programas de
producción, los cuales nos dicen cómo debe hacerse el producto, que equipo
y herramienta se requieren para su fabricación, así como cuando y en donde
deben aplicarse tales equipos y herramientas.
2.7 Teorías y metodologías de diseño (DTM).
Diversas teorías y metodologías de diseño han sido propuestas y
desarrolladas durante más de 140 años, siendo las primeras las propuestas
en 1861 y 1875 (30,31) por Reuleaux. Sin embargo, es interesante el hecho
de que a la fecha no existe una definición clara de las DTM. Desde un punto
de vista clásico, las teorías de diseño se refieren al hecho de cómo modelar y
comprender el diseño, mientras que las metodologías de diseño están
relacionadas con el cómo diseñar o cómo debe ser el diseño. Sin embargo,
las relaciones entre las teorías y metodologías individuales son tan poco
conocidas que los diseñadores no pueden elegir el método correcto para
llevar a cabo los procesos de diseño.
El campo de las teorías de diseño y Metodologías (DTM) es una rica
colección de hallazgos e interpretaciones derivadas de los estudios sobre
cómo es el diseño. En otras palabras, las DTM están relacionadas con los
procesos de diseño y las actividades, en vez de los productos.
Cualquier conocimiento científico empieza con la recolección de datos
mediante la observación por lo tanto se generara una hipótesis que será
probada. Si la hipótesis se ¡guala o explica los fenómenos, se considerará
como una ley que rige los fenómenos. Lo que significa que cualquier
conocimiento científico evoluciona a partir de una hipótesis o una ley.
45
*1
CAPITULO II
El objetivo final de las DTM es obtener una teoría general y abstracta acerca
del diseño que puede ser categorizada dentro de 4 clases a lo largo de dos
ejes, concretas VS abstractas e individuales VS genérales.
Tabla 2-1. Clasificación de las teorías y metodologías de diseño
Categorizacíón de la diferentes teorías y metodologías de diseño
General Individual
Abstracta Teorías de diseño (GDT, UDT)
Métodos basados en
matemáticas
(optimización, diseño
axiomático, Método Taguchi
programas coputacionales
Concreta
Metodologías de diseño
Metodología para lograr metas
concretas Metodologías de
proceso
Métodos de diseño
2.8 Ingeniería concurrente.
Es una filosofía de trabajo basada en sistemas de información y
fundamentada en la idea de convergencia, simultaneidad o concurrencia de
la información contenida en todo el ciclo de vida de un producto sobre el
diseño del mismo.
46
CAPITULO II
DESEMPEÑO
FUNCIONAL
MANUFACTURARLE
DISEÑO VERIFICACIÓN REVISIÓN » PRODUCCIÓN
SERVICIO
PRUEBAS
COSTO
CALIDAD
Figura. 2.6 Concepto de ingeniería concurrente
La ingeniería concurrente, también llamada por muchos autores ingeniería
simultánea, es un fenómeno que aparece a principios de la década de los
ochenta en el Japón y que llega a Europa a través de América,
fundamentalmente Estados Unidos, a finales de esa misma década.
El objetivo de una empresa industrial es, en pocas palabras:
"Diseñar productos funcionales y estéticamente agradables en un plazo de
lanzamiento lo más corto posible, con el mínimo coste, con el objetivo de
mejorar la calidad de vida del usuario final"[32].
2.8.1 Antecedentes de ingeniería concurrente
En 1947, las bases del JIT fueron desarrolladas en Toyota, partiendo de la
experimentación de Taichi Ohno, jefe de la planta de Manufactura y
Maquinaria No. 2 de Toyota. En ese año él empezó a experimentar con
arreglos de máquinas para facilitar el flujo de los materiales en la planta. La
meta final de esta técnica era reducir el desperdicio en todos los niveles,
particularmente en la forma de inventarios. Su implementacion resulta en un
sistema enfocado a responder rápidamente a los requisitos del mercado. Una
de las características fundamentales de esta técnica es que reconoce que
hay debilidades inherentes en las líneas de producción que han sido
diseñadas en las áreas de ingeniería. Típicamente, las debilidades de la
línea de producción son causadas por suposiciones erróneas o por falta de
47
CAPITULO II
conocimiento de los diseñadores. Contrario a una de las actitudes
fundamentales de la producción en masa, en el JIT se le da poder al
trabajador de la línea para que proponga e implemente modificaciones
tendientes a mejorar los procesos de fabricación. Las ventajas de tener
trabajadores entrenados y motivados son entonces reconocidas por esta
técnica.
Los orígenes de la Ingeniería Concurrente se remontan a la década de 1950,
cuando Genichi Taguchi trabajó en el desarrollo de los principios del Diseño
Robusto (RD) mientras trabajaba en Nippon Telegraph and Telephone (NTT).
Esta metodología iba encaminada a optimizar el producto desde el punto de
vista del proceso de fabricación, uno de los conceptos que posteriormente se
incorporarían a la Ingeniería Concurrente.
Una década después, dos profesores japoneses desarrollaron otra de las
técnicas fundamentales de la IC: el Despliegue de la Función de Calidad
(QFD por sus siglas en inglés). Su primer uso se reporta en los astilleros de
la Mitsubishi Heavy Industries, a principios de la década de 1970. Esta
técnica introducía dos conceptos innovadores. Primeramente, reconocía el
papel preponderante del cliente para el éxito económico del producto. La
técnica incluía un proceso sistemático que ayudaba a los diseñadores a
desplegar las necesidades del cliente, con la meta de integrar los
satisfactores adecuados en el producto. En segundo lugar, planteaba que el
diseño debería ser realizado no por una sola persona sino por un equipo
compuesto por personal de las diferentes áreas de la empresa proveedora
del producto o servicio: diseñadores de producto, ingenieros de manufactura,
personal de mercadotecnia, ventas y servicio, etc. Así, la técnica ayudaba a
resolver dos limitaciones inherentes del diseño aislado: la falta de conexión
con el usuario final (quien como se ha mencionado había perdido cierta
importancia en función de la necesidad por hacer al producto compatible con
el proceso de producción en masa), y la imposibilidad que tiene una sola
48
11 CAPITULO II
persona para entender y dominar todos los aspectos con que debe cumplir
un producto para que sea exitoso.
Ambas técnicas, el JIT (Just-in-time) y el DFQ (Diseño para la calidad),
fueron exportadas hacia otras compañías y regiones del mundo. Al principio
se presentaban como ejemplos de "mejores prácticas". Durante la década de
los años 1980 recibieron gran difusión en los Estados Unidos y comenzaron
a ser adoptadas en forma dirigida y organizada. Para la década de los años
1990 se incorporaban también de manera masiva en Europa(33).
2.8.2 Beneficios de ingeniería concurrente
Dado que la ingeniería concurrente (CE) es un remplazo a las técnica
tradicional, esta es introducida con el objetivo de integrar todos los esfuerzos
de diferentes actividades requeridas en el producto sin incrementar costos y
alargar los re-trabajos durante el proceso entero del desarrollo del producto.
Como resultado significa que el efecto en la calidad, costo del producto,
tiempo de salida al mercado, satisfacción personal y por último el tiempo en
el mercado logran que un producto pueda alcanzar el éxito convirtiendo
ganancias de la empresa, aunque estas no sean meramente las expectativas
de la aplicación de ingeniería concurrente. Pero que han sido acompañadas
por varias compañías que utiliza esta técnica eficazmente (34).
De acuerdo a lo anterior la ingeniería concurrente surgió de la necesidad de
las empresas en ser mucho más competitivas y ofrecer al mercado un
producto de calidad y duradero, dentro de esta metodología conforme pasa
el tiempo se van adjuntando más áreas de la empresa haciendo más
eficiente la producción y resolviendo problemas que anteriormente no se
tomaban en cuenta como que hacer con el producto una vez que ya deja de
funcionar, es decir en la actualidad una de las muchas preocupaciones de la
industria es disminuir la cantidad de desechos y encontrar mejores formas de
qué hacer con el producto.
49
1CAPITULO II
La ingeniería concurrente es una buena manera de disminuir los errores en
los procesos de producción el costo en el producto terminado.
Para las empresas aplicar esta filosofía es una forma de generar una mejor
expectativa en el mercado así como también tener buenos procesos
productivos.
Es importante aplicar de manera correcta esta metodología para no caer en
los mismos errores de lo que se conoce como la ingeniería secuencial.
Si una empresa está dispuesta a trabajar con esta metodología debe estar
preparada en hacer una inversión y esperar resultados a largo plazo, ya que
se requiere de tiempo y dedicación para lograr obtener buenos resultados.
Redactar un poco a que se refiere esta metidología (Tal vez en tus apuntes
tienes algo de esto ya escrito).
2.9 Metodología de diseño adaptable
La adaptabilidad del diseño y adaptabilidad del producto es un nuevo
enfoque que apunta hacia la creación de productos y diseños que puedan
ser más fáciles de adaptar a diferentes requerimientos según sea el caso.
Para reducir los esfuerzos de diseño y adaptación de productos, tanto en el
diseño y la adaptabilidad del producto se deben tener en cuenta en la etapa
de diseño.
El diseño adaptable es la capacidad de un diseño existente para adaptarse a
crear un diseño nuevo o modificarlo y se basa en el cambio de requisitos.
La adaptabilidad del producto, es la capacidad física de un producto a
adaptarse satisfactoriamente y cumplir con los requerimientos que
cambiaron. Esta se logra por la modificación de un producto existente. Otra
distinción de la adaptabilidad del producto puede ser tiempo de ejecución de
la adaptabilidad y la capacidad de adaptación.
50
CAPITULO III
3 CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE DISEÑO
3.1 "DISEÑO. DISPOSITIVO MÓVIL PARA NITRURACIÓN
IÓNICA DE PERNOS A GRANEL"
Sobre la base de la información presentada previamente, el diseño de un
dispositivo móvil para nitrurado iónico de pernos a granel, motivo del
presente trabajo de tesis, se basará en la metodología de diseño adaptable y
la utilización del concepto de ingeniería concurrente. En ese sentido, el
proceso de diseño del dispositivo móvil será presentado por etapas
incluyendo el proceso mismo de diseño y partes del proceso de ingeniería
concurrente como lo son el proceso de selección de materiales y el análisis
del mercado.
De esta forma, el desarrollo del diseño se presentará desglosado en los
siguientes puntos:
> Definición puntual del problema.
~r Análisis del mercado (Metodologías actuales para nitrurado de piezas
a granel).
> Síntesis conceptual del diseño.
> Parametrización.
> Análisis y selección.
> Desarrollo detallado del diseño.
> Selección de Materiales.
3.1.1 Definición del problema
La definición del problema es el primer paso del proceso de diseño y es por
mucho, el de mayor relevancia ya que a partir de él se establecen las bases
para el desarrollo de un concepto preliminar del producto o proceso que se
desea concretar. La definición del problema se realiza a partir de una
51
CAPITULO III
discusión principalmente entre las personas involucradas con el problema así
como con los responsables del diseño y el desarrollo del proyecto y con
algunas sugerencias de otros especialistas.
La definición del problema para el presente trabajo ha sido planteada en el
capítulo I, sin embargo, debido a su importancia se presenta nuevamente,
pero con mayor detalle en los siguientes párrafos.
Los procesos de nitrurado iónico han tomado una significativa relevancia
debido a que permiten un alto control de las variables del proceso, hecho que
consecuentemente resulta en un alto nivel de control de las propiedades
superficiales de las piezas y accesorios sometidas a dicho tratamiento.
Desafortunadamente, la tecnología actual utilizada en esta práctica, de forma
general, se encuentra limitada a procesar piezas de gran volumen de manera
estática dejando de lado el procesamiento de piezas pequeñas con
requerimientos de resistencia al desgaste y la abrasión.
El problema radica en el hecho del requerimiento de un sistema dinámico
para nitrurado iónico que permita exponer al 100% la superficie de piezas
pequeñas (pernos) que se pretenden nitrurar. En acuerdo con el propio
proceso de nitrurado, las piezas bajo tratamiento deben estar conectadas, de
forma ininterrumpida, a un potencial negativo del orden de 1000 Volts. Así
mismo, las piezas bajo tratamiento deben estar aisladas eléctricamente del
propio reactor, el cual hace las veces del electrodo positivo (ánodo), con el
objetivo de evitar un corto circuito. Un corto circuito eléctrico durante el
proceso de nitrurado puede dañar de forma irreversible las piezas bajo
tratamiento así como el sistema de generación de plasma y el propio reactor
de nitrurado.
El dispositivo móvil debe ser capaz de resistir los esfuerzos mecánicos
propios de la carga de las piezas en tratamiento, así como los esfuerzos
térmicos relacionados con el requerimiento de mantener la carga bajo
tratamiento a temperaturas en un rango de entre 450 y 600°C.
52
CAPITULO III
El dispositivo a diseñar debe ser capaz de operar en una atmosfera al vacío
con presiones en el rango de entre 130 y 1300 Pa. Sobre esta base, el
dispositivo no puede incluir en su funcionamiento dentro del reactor de
nitruración ningún tipo de grasa o lubricante que pueda ser volatilizado a las
presiones y temperaturas típicas de los procesos de nitrurado iónico.
3.1.2 Metodologías actuales para procesamiento de piezas a
granel.
Una vez planteado y discutido detalladamente el problema y con el objetivo
de desarrollar un concepto original, se procedió a realizar una búsqueda en
diversas fuentes de información, focalizada en las formas actuales para
procesar pernos a granel y la eficiencia de estos, así como en los avances
tecnológicos que han surgido en los procesos de nitrurado iónico. Las
actuales tecnologías que se emplean para procesar piezas a granel (de todo
tipo) son pocas y se sabe que la calidad del proceso puede afectar
directamente las propiedades finales de las piezas bajo tratamiento.
Las técnicas actuales que se emplean de forma típica para el procesamiento
de piezas a granel principalmente son tratamientos térmicos. Dentro de las
búsquedas de información realizadas, se han identificado dos opciones
básicas para el tratamiento térmico de piezas a granel, la primera es
empleando cajas de recocido para hornos al vacío, sus aplicaciones son para
piezas con espacios huecos o diferente morfología colocadas estáticamente
dentro de la caja. Se usa una atmosfera de gas protector de manera que el
oxígeno atrapado se remueva y con ello evite la oxidación durante el
tratamiento. El enfriamiento de las piezas puede ser al aire o llevarse de
forma forzada. Las cajas de recocido están fabricadas con materiales
resistentes al calor del tipo AISI 314 para soportar temperaturas máximas de
1100 °C. En la Figura. 3.1 se muestra una caja utilizada en hornos al vacío.
La segunda opción es mediante cestas de carga que pueden ser hechas en
una sola pieza con varios niveles o puede estar conformada de una columna
de varias cestas. Los materiales de fabricación son aceros inoxidables AISI
53
CAPITULO III
304, AISI 321 y AISI 309, resistentes al calor en diferentes rangos [35]. A
pesar de su relativo buen desempeño, las opciones mostradas presentan la
desventaja, para el caso del proceso de nitrurado iónico, de que no
expondrían la totalidad de la superficie a la acción del plasma.
Figura. 3.1 Caja de recocido para la inyección de gas con tapa de vacío adicional
Figura. 3.2 (Izquierda) Cestas de carga con algunos pisos (derecha) Cesta de carga
con 4 niveles.
54
CAPITULO III
Las técnicas de modificación superficial como nitrurado son una opción para
el procesamiento de piezas a granel, sin embargo, la más convencional para
esta aplicación es la técnica de nitrurado por baño de sales para el caso de
tornillos, clavos, agujas, pernos y algunas otras piezas similares. Esta técnica
da un tratamiento relativamente uniforme y previene la oxidación de los
materiales. El tratamiento de baño de sales consiste en la inmersión de las
piezas a nitrurar en un baño de sales fundidas principalmente entre 60 y 70
% de cianuro de sodio y un 30 a 40 % de cianuro de potasio. Una de las
desventajas de este proceso es que utiliza sustancias químicas toxicas para
el personal que opera el proceso y el medio ambiente, otra es el retrabajo
que se requiere para el caso de piezas especiales.
En acuerdo con las búsquedas de información realizadas, se corroboró el
hecho de que los procesos de nitruración iónica de forma general son más
utilizados para el procesamiento de piezas grandes como árboles de levas,
cigüeñales, engranajes, matrices de extrusión, cremalleras y ejes [36],
Jean N. Georges presento en noviembre 2003 un proceso para nitrurar
piezas a granel comprendido desde la carga de las muestras en una cesta, el
tratamiento de las piezas a granel controlando temperatura y presión para
operar con la cesta cargada bajo la generación de plasma. En dicho proceso
la cesta rota a una baja velocidad en un rango de 1 y 5 rpm inclinándola
entre 5 y 45°. Un punto interesante de este proceso es que el plasma se
genera fuera de la cesta y las especies activas reaccionan con las piezas
que están dentro de la cesta, es decir, que las piezas de trabajo no son parte
del cátodo esto ayuda a que el proceso de nitruración iónica se lleve a cabo
de manera segura y sin riesgo de arcos eléctricos severos. La inclinación
permite el procesamiento de toda la pieza y el giro de la cesta se lleva a cobo
por medio de un aro dentado acoplado un piñón que ajusta a los medios de
accionamiento (37). Este es un avance muy importante en el procesamiento
de piezas a granel, sin embargo la técnica podría verse limitada al número de
piezas a tratar debido a la colocación de la cesta y lo más perjudicial es que
55
CAPITULO III
entre mayor número de piezas la homogeneidad entre las piezas se vería
afectada debido a la concentración de especies activas y el rozamiento
generado entre las piezas que posiblemente afectarían la superficie tratada.
La Figura. 3.3 muestra un esquema del diseño presentado en la patente
donde las piezas 40, 37 28, 38 y 30 conforman la platina. El motor está
ubicado en el exterior del horno para evitar interferencias eléctricas.
"Ir
Figura. 3.3 Patente para el procesamiento de piezas por nitruración iónica [37].
3.1.3 Síntesis conceptual del diseño
Sobre la base del planteamiento puntual del problema y de la revisión de las
metodologías utilizadas para el tratamiento de piezas a granel, y siguiendo la
metodología de ingeniería concurrente, se generaron una serie de
propuestas de las cuales se hizo un análisis basado en los criterios con los
que debería cumplir el producto final, para determinar la factibilidad del
desarrollo del diseño se analizaron identificando los posibles problemas que
se pudieran presentaran al desarrollar el diseño.
56
CAPÍTULO III
De acuerdo a los requerimientos del dispositivo se seleccionaron dosconceptos para el diseño del dispositivo móvil. Las Figura. 3.4 y Figura. 3.5muestran el bosquejo de los conceptos que pudieran cumplir con loespecificado para desarrollar el diseño.
La Figura. 3.4 representación esquemática 1 muestra una opción que sebasa en el funcionamiento de un horno giratorio, consta de un cilindro largodonde las muestras son colocadas en el interior el cilindro cuenta en suinterior con placas soldadas verticalmente a lo largo del cilindro fraccionandola circunferencia con la intención de permitir a las piezas cambiar de posicióndurante el proceso. Adiferencia de los hornos rotatorios convencionales, elcilindro no se encuentra forrado de material refractario y su inclinación seríatotalmente horizontal y se encontraría en constante rotación utilizando unrodillo motriz. El eje del rodillo llega a un conjunto de ruedas dentadasacomodadas estategicamente y que a su vez están conectadas al eje delmotor ubicado en el exterior del horno. La alimentación de las piezas sellevaría por una de las partes laterales dejando libre la otra para la colocaciónde accesorios requeridos incluyendo el conjunto de ruedas dentadas, elcalentamiento se llevaría a cabo usando resistencias eléctricas radiativascolocadas de manera estratégica para alcanzar la temperatura de nitruración.La capacidad de éste dispositivo estaría limitada tamaño de los separadores.Una desventaja importante de esta opción consiste en el control de lahomogenidad de tratamiento en todas las muestras ya que en algúnmomento el procesamiento de algunas piezas sería nulo o poco efectivodebido a que las piezas que se encuentran en la parte superiorobstaculizarían la difusión del nitrógeno en las piezas que se encuentran enen un nivel mas bajo habiendo menor concentración de nitrógeno.
La capacidad de carga es una ventaja, sin embargo la calidad de laspropiedades adquiridas de las muestras disminuye por lo que se mencionaanteriormente. Adicionalmente, se podría presentar la problemática de que
57
CAPITULO III
los separadores provocasen que las muestras se impacten unas con otras
pudiendo afectar las propiedades obtenidas.
La Figura. 3.5 muestra una segunda alternativa que mejora el acomodo de
los pernos ya que éstos se colocarían en serie sobre una base de rodillos
conectados a baleros especiales para vacio con rodamientos de alta
resistencia eléctrica aislando el eje del rodillo ya que los baleros estarán en
contacto con el resto de la estructura, el eje del rodilllo continua hasta un
sistema de engranes y piñones para lograr el movimiento con la ayuda de un
motor y un variador que permita manipular de la velocidad de giro, la
homogenidad y calidad en el tratamiento incrementan considerablemente con
la distribución de las piezas.
El calentamiento se produciría por medio de resistencias eléctricas radiativas
y la platina o cátodo estaría conformada por los rodillos y las muestras a
tratar, teniendo como opción utilizar toda el área conformada por la cama de
rodillos o disminuirla de acuerdo a la capacidad de carga.
Muestras
Separadores
•
Vista lateral vista frontal
Figura. 3.4 representación esquemática 1
58
Termopar
V,i
CAPITULO
Rodillos y
muestras
Cátodo
Resistencia
eléctrica
Figura. 3.5. Representación esquemática 2
Motor
Hasta este punto, las dos opciones pueden ser viables pero es necesario un
análisis con respecto a las características deseadas y el funcionamiento en el
proceso. Un punto importante para analizar estas dos opciones, sobre todo
en la alternativa 1, es si el contacto eléctrico en las piezas es efectivo
durante todo el proceso ya que la pérdida de contacto eléctrico puede
generar una variación en la corriente de descarga por la disminución e
incremento del área si se llega a perder contacto eléctrico este efecto puede
generar arcos eléctricos cuando hay cambios de área y movimientos
repentinos debido a la inestabilidad del proceso.
Es posible que la capacidad de carga en el concepto 1 sea mayor a la opción
dos, sin embargo, la uniformidad en el proceso de nitruración será mejor en
la opción 2, incrementando la calidad en el proceso y por consiguiente
59
1CAPITULO III
disminuyendo las perdidas por menor número de piezas rechazadas. El
diámetro de las piezas a tratar es un punto que se vería afectado en la
opción 2, caso contrario a la opción 1 pudiendo no haber límite para el
procesamiento de piezas funcionales.
Es sabido, que en procesos como la nitruración iónica, el consumo neto de
corriente eléctrica es directamente proporcional al área expuesta al plasma
(área del cátodo), es decir si el área expuesta es mayor, la corriente
consumida será mayor, lo cual se relaciona directamente con el consumo
total de energía del proceso. Por lo tanto el área ocupada en cada uno de los
conceptos define la eficiencia en el consumo energético de los procesos, en
la opción 1 el cilindro metálico en su totalidad es parte del cátodo, sin
embargo solo una cuarta parte sería ocupada por las muestras esto genera
un gran desperdicio en la corriente aplicada al proceso. La opción 2 aventaja
en esto a la 1 ya que la colocación del contacto eléctrico a la base de rodillos
se llevaría a cabo en el rodillo principal. Las piezas irían colocadas entre dos
rodillos transmitiendo la conductividad. Existe una separación entre los
rodillos con la intención de incrementar el área expuesta de la muestra a el
plasma y adicionalmente se logra evitar pasar corriente eléctrica a aquellos
que no se requieran utilizar. De esta manera se puede disminuir el área
superficial del plasma, en otras palabras el consumo máximo de energía de
este dispositivo sería cuando se procesara la máxima carga.
La colocación de las resistencias eléctricas es un factor clave para alcanzar
la temperatura deseada y que la variación térmica durante el desarrollo de la
prueba sea menor. La opción 2 se compone de una estructura que puede ser
aislada eléctricamente del reactor (ánodo) y a su vez puede ser aislada de la
cama de rodillos (cátodo), el espacio es suficiente para el acomodo
resistencias eléctricas que por su cercanía con las muestras la eficiencia en
calentamiento y estabilidad térmica se verá favorecida. En la opción 1, una
resistencia eléctrica es colocada sobre la superficie del cilindro giratorio y
60
CAPITULO III
debe calentar homogéneamente para evitar cambios considerables en la
temperatura.
3.1.4 Parametrización
Una vez presentados con detalle los conceptos considerados, el siguiente
paso general, una vez seleccionado cualquiera de los conceptos, es el
desarrollar el diseño mismo del dispositivo y de cada uno de los
componentes y subsistemas que conforman el producto. Sin embargo, previo
al proceso de diseño en detalle, se deben definir las condiciones tanto
dimensionales como de operación sobre las cuales se basará el diseño en
detalle. Tal proceso, conocido como Parametrización se presenta en los
siguientes párrafos.
El producto a desarrollar puede definirse como un accesorio porta muestras
de operación dinámica para un equipo industrial de nitrurado iónico. El
equipo de nitruración iónica tiene una configuración cilindrica vertical con
diámetro interno de 1.47 m y una altura de 1.4 m. En acuerdo con el diseño
del reactor de nitruración, este tiene un volumen útil de 1 m3, en el cual debe
colocarse el dispositivo que se pretende diseñar. Así mismo, el sistema tiene
una capacidad de carga estática de hasta 200 kg, distribuidos en un área
superficial máxima (Totalidad del cátodo) de 25,000 cm2.
El equipo de nitruración se compone principalmente un sistema de
evacuación basado en un arreglo de bomba de paletas rotatorias-bomba de
lóbulos, con capacidad para alcanzar presiones de vacío del orden de 1.3
X102 Pa, una fuente de poder y la instrumentación necesaria para proveer y
controlar el voltaje requerido para iniciar la descarga luminosa (plasma
gaseoso), un sistema de calentamiento controlado con capacidad para elevar
la temperatura de la carga hasta 600°C, y un sistema de inyección y control
de gases que permite mantener mezclas gaseosas específicas a presiones
de trabajo definidas (entre 130 y 1300 Pa).
61
1
CAPITULO III
En el interior del reactor para vacío se cuenta con una platina porta muestras
la cual es conectada a un voltaje negativo (cátodo) siendo la carcasa del
reactor conectado a un voltaje positivo (ánodo), con la inyección de una
mezcla gaseosa a baja presión y por efecto de la diferencia de potencial
considerable entre la platina y la carcasa del reactor, ocurre el rompimiento
del dieléctrico gaseosos y mediante un control electrónico fino, se inicia el
proceso de descarga luminosa o generación de plasma
El equipo está diseñado principalmente para procesar piezas de gran tamaño
y diferente geometría. Como se define en el problema, estos equipos suelen
ser diseñados para procesar este tipo de piezas de forma estática, dejando
fuera de sus capacidades el procesamiento de piezas pequeñas, debido en
gran medida, por el acomodo de piezas o características de la platina porta-
muestras. El dispositivo cuyo diseño se plantea en el presente trabajo,
deberá poder desempeñarse como un accesorio intercambiable con la
platina actual del equipo y es necesario para el procesamiento de pernos a
granel.
En acuerdo con los requerimientos que existen en el mercado es necesario
que el accesorio que se diseñe tenga la capacidad de procesar el 100 % de
la superficie y tener dimensiones y características tales que permita el
procesamiento de al menos un millar de pernos de 6.35 mm de diámetro y
25.4 mm de longitud y adaptarse a la disponibilidad de espacio útil de 1 m3.
Debe estar aislado eléctricamente de la carcasa del reactor y aprovechar al
máximo la corriente eléctrica mediante el uno de la menor área superficial
posible. Es sabido, que las temperaturas para procesamiento mediante
nitrurado iónico varían como una función del material a tratar, y de las
características que se deseen obtener sobre la superficie del mismo, sin
embargo, de forma general, en la nitruración iónica las temperaturas
máximas de proceso oscilan alrededor de los 600°C. En acuerdo con éste
criterio, el dispositivo deberá tener la capacidad de operar a esta temperatura
62
CAPITULO III
sin que sufra daño mecánico alguno que pueda comprometer su integridad y
buen funcionamiento.
El inicio del desarrollo del diseño es sin duda la parte más difícil ya que se
tiene la idea, sin embargo, comenzar a plasmarla es una tarea que lleva
tiempo y cuidado para evitar retrabajos futuros. A continuación se muestran
algunos detalles que se deben tomar en consideración previo al desarrollo
del diseño.
El prototipo sugerido se compone de una geometría de acero estructural que
puede ser fabricada de diferentes perfiles que aseguren su durabilidad y
funcionalidad, así mismo, por seguridad y funcionalidad dicha estructura
debe estar aislada eléctricamente del reactor (ánodo) y de los rodillos
(cátodo). La colocación de las resistencias puede ir sobre la misma
estructura.
No obstante que el equipo cuenta con un sistema de calentamiento diseñado
para alcanzar las temperaturas máximas de nitruración, la posición en que se
encuentran las resistencias eléctricas radiativas puede influir de forma
considerable en la eficiencia del propio sistema.
En ese sentido, la estructura del dispositivo a diseñar debe ser lo
suficientemente amplia para colocar en una posición adecuada dos pares de
resistencias eléctricas radiativas, de modo que se permita disminuir al
mínimo las pérdidas de calor relacionadas con el posícionamiento de éstas.
La configuración y características de dichas resistencias deben satisfacer el
requerimiento de energía de la carga para alcanzar los 600°C.
La base del reactor cuenta con entradas para la colocación de cuatro
termopares para el monitoreo y control de la temperatura de las piezas bajo
tratamiento. La colocación de los termopares debe ser adecuada y estar lo
más cerca posible de las muestras bajo tratamiento, cuidando que no se
produzcan interferencias eléctricas que pudiesen afectar el proceso. Esto se
63
CAPITULO III
logra aislando los cables del termopar con la ayuda de un material refractario
con alta resistividad eléctrica con alta conductividad térmica.
Los rodillos que soportarán los pernos y permitirán su rotación son parte del
cátodo, por lo que deberán tener buena conductividad eléctrica y térmica.
Otra característica importante de los rodillos es la cantidad de masa con la
que cuenten. A mayor cantidad de masa, se requerirán mayores aportes
calóricos para llevar tal masa a la temperatura del proceso, hecho que está
directamente relacionado con el consumo de energía final del proceso. El
diámetro y cantidad de rodillos deben ser ajustados al área real de
procesamiento y a la cantidad de piezas a tratar, su movimiento se genera
por medio de un sistema de engranajes y baleros conectados a un motor
controlado por un variador de velocidad.
La base del reactor cuenta con un orificio central para la conexión eléctrica
del potencial negativo al cátodo. Tal conexión eléctrica hacia la base de los
rodillos debe ser colocada de manera adecuada para que se mantenga en
todo momento de la prueba. El material para dicha conexión debe tener una
excelente conductividad eléctrica y deberá soportar los 600 °C.
3.1.5 Análisis y selección
Lo anteriormente discutido da la opción de elegir cuál de estas propuestas es
más viable y tendría mejores resultados en el procesamiento de las
muestras, cada una tiene tanto ventajas como desventajas y es fundamental
priorizar en los requerimientos y las características del diseño tomando en
cuenta los efectos positivos y negativos que puedan tener. Por lo tanto lo que
se requiere es tener un dispositivo que sea capaz de procesar el 100% de la
superficie de pernos a granel por nitruración iónica bajo sus condiciones de
proceso y que la capacidad de carga sea no menor a 1000 piezas por
proceso y de acuerdo a el análisis que se realiza entre estas dos alternativas
se opta por la número 2 principalmente por el acomodo de las muestras que
es un criterio que determina la calidad de las propiedades obtenidas.
64
1
CAPITULO III
Otro punto a favor de la opción 2 es su capacidad de reducir el consumo de
energía eléctrica de acuerdo a la carga de trabajo y la colocación estratégica
de las resistencias radiativas, ya que se tiene una mejor eficiencia debido a
la que la cercanía con las piezas de trabajo evitan que se tengan menores
pérdidas de calor.
En este dispositivo la estabilidad del proceso impacta notablemente con
respecto al otro debido principalmente a que el área donde se genera el
plasma siempre es estable, es decir que las piezas a tratar siempre están en
contacto con la platina, caso contrario en la opción 1. De esta manera la
estabilidad en la corriente aplicada se mantendrá en toda la prueba evitando
la generación de arcos eléctricos, impactando en la durabilidad de los
instrumentos electrónicos que se utilizan para control del plasma.
La capacidad probablemente sea la desventaja más grande de este
dispositivo con respecto al otro, ya que su capacidad se ve desfavorecida
cuando las dimensiones de las muestras a tratar incrementa, tomando en
cuenta que el dispositivo se diseña para procesar pernos a granel de 1/4 in
(0.25 mm) de diámetro por 1 in (25.4 mm) de longitud, existen posibilidades
de llegar a colocar hasta 2500 pernos sobre la cama de rodillos, sin embargo
en trabajos futuros se debe evaluar la eficiencia del dispositivo cuando la
carga es incrementada debido al área de contacto entre unas piezas con
otras y el rodillo, debido a que existen efectos sobre el espesor de la zona
luminiscente el cual se ve modificado cuando algunas variables del proceso
como presión, voltaje, corriente y la mezcla de gases. Se ha reportado que el
un espesor de descarga luminiscente deseable es aproximadamente de 6.35
mm (0.25 in), a no ser que las partes con orificios o ranuras exijan una zona
con un resplandor más delgado. Si las variables del procesamiento permiten
incrementar la capacidad de carga para los pernos anteriormente
mencionados, la capacidad de producción puede incrementarse al doble.
65
CAPITULO III
3.1.6 Desarrollo detallado del diseño.
En acuerdo con el proceso de síntesis y análisis del diseño, se ha
seleccionado con base en ciertos criterios ingenieriles de operación la
propuesta que implica la utilización de un sistema de rodillos móviles para el
giro continuo de los pernos sometidos al proceso de nitruración iónica. De
esta manera, el siguiente paso consiste del diseño detallado de cada uno de
los componentes que constituirán el sistema general.
Sobre la base del concepto inicial, planteado con el objetivo de solventar la
problemática enunciada, el dispositivo puede dividirse para fines de
simplificación en tres subsistemas:
1. Estructura de soporte
2. Cátodo y sistema de transmisión.
3. Sistema de calentamiento.
3.1.6.1 Estructura de soporte
Como fue mencionado previamente, el reactor de nitruración consiste de un
cilindro en posición vertical con un diámetro interior de 1.47 m y cuyo diseño
se ha realizado parta disponer de un volumen útil de 1 m3 (cilindrica de 1 m
de diámetro y 0.78 m de altura). De esta manera, el dispositivo de soporte
debe diseñarse de forma tal que el área expuesta al plasma (Cátodo) pueda
ser distribuida en dicho volumen útil. En ese sentido, se plantea un cátodo
constituido por una cama de rodillos giratorios que soportan y mueven los
pernos bajo tratamiento. Tal cama de rodillos, que constituye prácticamente
la totalidad del cátodo, se ha diseñado de forma rectangular con
dimensiones de 73.97 cm de largo por 60.96 cm de ancho. Entonces,
considerando la cama de rodillos mencionada previamente, la estructura de
soporte, la cual estará asilada eléctricamente tanto de la cama de rodillos
(cátodo) como de la carcasa del reactor de nitruración (Ánodo), se diseña
66
CAPITULO III
específicamente para poder soportar el peso de la cama y los propios
pernos.
La estructura de soporte requiere ser resistente y mantenerse fija, por lo
tanto se han considerado para su diseño el uso de diferentes perfiles como
PTR, soleras y CPS. La base y gran parte de la estructura está conformada
por perfil tipo PTR calibre 12 de 1.5 in (38.1 mm) de lado. Los perfiles
deberán ser unidos mediante el proceso de soldadura GMAW o MIG
conocida también como gas arco metal, donde un arco eléctrico es
mantenido entre un alambre sólido que funciona como electrodo continuo y la
pieza de trabajo. El arco y la soldadura fundida son protegidos por un chorro
de gas inerte o activo. Una vista isométrica representativa del diseño de la
estructura de soporte se presenta en la Figura. 3.6.
Figura. 3.6 estructura del dispositivo dinámico.
Como puede verse en el diseño mostrado, la estructura de soporte ha sido
diseñada con una base horizontal cuadrada de 86.4 cm de lado, que será
67
CAPITULO III
colocada concéntrica al diámetro del reactor. A la base cuadrada se unen
una serie de cuatro PTR's verticales en cada uno de sus vértices con una
altura total de 63.5 cm, tanto la base horizontal como los PTR's verticales
constituyen prácticamente la totalidad del cuerpo de la base soporte. Sobre
cada par de PTR's verticales, se ha colocado un CPS de 4 (101.6 mm) X VA
(38.1 mm) X % in (6.35 mm) de longitud 37 in (94 cm). Los CPS son
utilizados como soporte de la cama de rodillos, por ello, incluyen una serie de
26 barrenos pasados de 7;< in ( 22.22 mm) de 0 para la colocación de igual
número de baleros, que serán los encargados de permitir el giro sin-fin de los
rodillos y en consecuencia el de los pernos bajo tratamiento. Como medios
de refuerzo y con la finalidad de distribuir sobre la base de la estructura de
una forma más adecuada los esfuerzos producto de la carga, se han
colocado un par de soleras de l V> OH I mm) X V;; ni (19.05 mm) de espesor
por debajo de ambos CPS's unidas entre sí en un ángulo de 45°. Así mismo,
como puede verse en el diseño, como parte del refuerzo de la estructura, se
ha colocado un par de PTR's en ambos lados perpendiculares al
posicionamiento de los CPS's. Tanto los PTR's de refuerzo como un par de
estructuras de PTR en "C" colocadas sobre los CPS's, servirán como soporte
para la colocación de las resistencias eléctricas para el calentamiento por
radiación de la carga bajo tratamiento. La Figura. 3.7 presenta de forma
detallada los planos para fabricación de la estructura de soporte.
Adicionalmente, estos se encuentran en un tamaño mayor en la parte de
anexos.
68
CAPITULO
VWaSupwforC
5
VMtnonwB
Figura. 3.7 planos para la construcción de la estructura
Como fue planteado previamente, en acuerdo con los requerimientos propios
del proceso, la estructura soporte debe estar aislada eléctricamente tanto del
propio cátodo (cama de rodillos) como de la carcasa del reactor de
nitruración. En ese sentido, la base de la estructura deberá ser soportada por
cuatro ladrillos cerámicos colocados en la tapa inferior del reactor, con
propiedades de resistencia mecánica tal que permitan soportar tanto la carga
de la propia estructura como la carga de pernos bajo tratamiento. Así mismo,
el asilamiento eléctrico de la estructura de soporte con la cama de rodillos se
realizará mediante el uso de baleros aislados eléctricamente mediante
rodamientos cerámicos sin lubricante.
69
y
1
CAPITULO III
3.1.6.2 Cátodo y sistema de transmisión.
La disponibilidad que hay para la colocación de la cama de rodillos es de un
cuadrado de 78.74 cm de lado. En acuerdo a este criterio se realizó una
búsqueda para seleccionar los rodillos adecuados y sus características
considerando lograr la distribución de al menos 1000 piezas que se
encuentren a las mismas condiciones de operación durante la prueba.
La selección de las dimensiones de los rodillos que deben ser utilizados
como soporte y medio de movimiento de los pernos, debe realizarse de una
forma analítica de modo tal que se considere la capacidad de procesamiento
deseada, bajo un esquema de máximo aprovechamiento de la superficie del
cátodo. Como fue mencionado con anterioridad, el consumo energético de la
descarga luminosa en el proceso de nitruración, es una función del área total
del cátodo, incluyendo tanto el área del soporte o platina (rodillos), como el
área de la propia carga. A mayor área del cátodo, mayor consumo energético
del proceso. En este sentido, en la selección de las dimensiones de los
rodillos, específicamente de su diámetro, debe realizarse considerando, entre
otros, la utilización de la menor área superficial, permitiendo la mayor parte
del área del cátodo a la propia carga. Así mismo, y sobre el mismo concepto
de aprovechamiento de área del cátodo, la relación entre los diámetros de
los rodillos y los pernos debe seleccionarse considerando que el mayor
porcentaje de área del perno se encuentre libre para exponerse al plasma.
De esta manera, los tiempos de proceso se podrán reducir.
Para el análisis se utilizaron rodillos de 1/4 (6.35 mm), 1/2 (12.7 mm), 3Á (19.05
mm), 1 (25.4 mm) y YA (31.75 mm) in de diámetro como medio de
movimiento, y en todos los casos, las dimensiones de los pernos fueron
establecidas en 1/4 in (6.35 mm) de diámetro y 1 in (25.4 mm) de longitud.
Para todos los casos la longitud de los rodillos se estableció en 24 in (60.96
cm) y por cada hilera son colocados 20 pernos. La Figura. 3.8 muestra de
forma esquemática los cinco sistemas evaluados, así como la distribución de
70
CAPITULO III
los pernos sobre los rodillos para cada subsistema. Como información
adicional, se muestra la capacidad en pernos de cada arreglo.
Longitud para la colocación de los pernos
Diámetro % in, capacidad 1980 pernos
Diámetro !4 in, capacidad 2160 pernos
Diámetro Va in, capacidad 1480 pernos
Diámetro 1 in, capacidad 1120 pernos
rxixnxxxxxxm:-.^ Diámetro VA in, capacidad 880 pernos
Figura. 3.8 Distribución de los pernos en cada sistema rindiendo el área disponible
para el procesamiento
De acuerdo al análisis de los 5 arreglos, los rodillos de 1 Va (31.75 mm) no
logran procesar la cantidad mínima deseada sin embargo las 4 arreglos
restante cuentan con la capacidad para procesar esta cantidad de pernos. En
ese sentido, en este punto se elimina del análisis la opción con rodillos de 1
Va in (31.75 mm) de diámetro.
A diferencia de la primera opción, con rodillos de Va (6.35 mm) in de
diámetro, los otros sistemas permiten el acomodo de 2 filas de 20 pernos por
cada par de rodillos, incrementándose en un 9 % la capacidad de carga
cuando se usan rodillos de V2 in (12.7 mm) con respecto al uso de rodillos de
Va (6.35 mm). Sin embargo, se debe utilizar como accesorio una barra central
de 3/16 in (4.76 mm) diámetro para permitir la máxima exposición superficialde los pernos al plasma. Se pudiera pensar que en la opción con rodillos de
1 Va (31.75 mm) tuviera la capacidad de colocar hasta 4 filas de pernos por
71
CAPITULO III
cada par de rodillos, sin embrago el área expuesta al plasma sería diferente
entre pernos, promoviendo la obtención de propiedades heterogéneas en los
pernos nitrurados. Por esta razón solo se pueden colocar dos filas por cada
par de rodillos.
La Tabla 3-1 presenta el área total expuesta al plasma por los rodillos, el área
total expuesta al plasma por el sistema en su totalidad (Incluida la carga) y
algunos de los parámetros utilizados para su determinación. La Tabla 3-2
enlista los principales parámetros establecidos para selección de cada uno
de los subsistemas analizados. Entre ellos se destaca los estimados de: la
capacidad total de carga, el área total de los rodillos que es expuesta al
plasma, el área total del sistema, incluida la carga, que se expondrá al
plasma y el porcentaje de área de cada perno que se expondrá al plasma.
Tabla 3-1 análisis de relación de áreas entre los sistemas propuestos para ocupar el
área del cátodo.
Superficie total de los rodillos expuesta al plasma
Diámetro
rodillo(in)
Perímetro
del rodillo
(in)
Ángulo sin
exposición al
plasma
Perímetro
exposición al
plasma
Área de contacto
con plasma (¡n2)
Área total
expuesta al
plasma (in2)
0.25 0.785 77 0.168 14.818 1452
0.5 1.571 110 0.480 26.180 1413
0.75 2.356 31 0.203 51.679 1912
1 3.142 23 0.201 70.581 1976
1.25 3.927 19 0.207 89.274 1964
Área total de cada sistema (incluyendo carga)
Diámetro rodillos 0.25 0.5 0.75 1 1.25
Área total 2662.27 2474.00 2829.13 2665.33 2501.58
Tabla 3-2. Área expuesta al plasma del perno y capacidad de carga en cada sistema
Diámetro del
rodillo (¡n)
0.25
0.5
0.75
"~'1
1.25
Capacidad de carga
(Numero de Pernos)
1980
2160~
1480
1120
880
Porcentaje de área del perno
expuesta al plasma
79.86
64.70
80.13
79.60
79.08
72
CAPITULO III
Sobre la base de los datos presentados en la tabla 1 y 2 se puede realizar el
siguiente análisis.
En la Tabla 3-1 se muestra observa que el área de contacto al plasma de los
rodillos en cada sistema incrementa por el diámetro del rodillo hasta un 35 %,
una gran pérdida de consumo energético ya que la energía destinada al
plasma de los rodillos no es de interés, sin embargo en los 3 sistemas de
diámetro mayor no hay una notable variación. Otro punto que se muestra en
la Tabla 3-1 es la totalidad de área expuesta al plasma en cada sistema
habiendo una variación del 13 %, sin embargo este dato no muestra gran
importancia ya que cada sistema tiene capacidad de carga diferente.
En la Tabla 3-2Tabla 3-2 se observa que con el uso de rodillos de 1/2 in (12.7
mm) diámetro se obtiene la mayor capacidad de carga sin embargo la
efectividad del proceso disminuye debido al que el área expuesta al plasma
es solo del 64.7 %, por lo tanto el tiempo de procesamiento se incrementa un
20 % en comparación a los otros sistemas. La capacidad de carga varía en
cada sistema con respecto al diámetro, sin embargo el área expuesta al
plasma de los pernos se mantiene en aproximadamente en un 80 % para
todos los casos. Recordemos que la capacidad de carga del sistema con
rodillos de 1 % (31.75 mm) no permite procesar la mínima cantidad de
pernos, por lo tanto la selección de este diseño se descarta.
Los sistemas con rodillos de 1/4 (6.35 mm), % (19.05 mm) y 1 (25.4 mm) in de
diámetro cuentan con las características suficientes para el procesamiento,
sin embargo la manufactura en el sistema de % (6.35 mm) in de diámetro con
respecto a los 2 sistemas restantes resulta más costoso y complicada debido
a la cantidad de componentes que se requieren.
Por lo tanto la selección de los rodillos debe hacerse entre los sistemas con
rodillos de % (19.05 mm) y 1 (25.4 mm) in de diámetro, la capacidad de
carga en los sistemas % (19.05 mm) y 1 (25.4 mm) in de diámetro es de
1480 pernos para el de rodillo de 3A (19.05 mm) y 1120 para el de 1 (25.4
73
CAPITULO III
mm) in de 0, una variación de 25 % más de carga. El total del área expuesta
al plasma en los sistemas se muestra en la Tabla 3-1, para el sistema con
rodillos de % (19.05 mm) in de diámetro el área total expuesta al plasma es
de 2829.13 in2, 6 % mayor al área ocupada en rodillos de 1 in (25.4 mm) de
diámetro (2665.33 in2), no obstante el área ocupada de los pernos a procesar
es mayor en el sistema de rodillos % (19.01 mm) aprovechando una mayor
cantidad de la energía al procesamiento de los pernos.
De acuerdo a lo anterior, la opción más adecuada para las características del
diseño es utilizar rodillos de % (19.05 mm) in de diámetro con los pernos ya
mencionados.
Definir la cantidad el tipo y cantidad de rodillos influye en las características y
componentes a utilizar y de acuerdo a lo anterior la cantidad de rodillos a
colocar sobre la estructura son 28 piezas de 1 in (25.4 mm) de 0 con
espesor de 1/8 (3.15 mm) y 60.96 cm de longitud dejando un espacio de 89
mm en las partes laterales de la estructura para evitar cualquier tipo de
interferencias.
Sobre los barrenos de la estructura son colocados baleros especiales para
vacío que permiten el giro sin fin de los rodillos porta-muestras, la
circunferencia de los rodillos tiene una separación de 1/16 in (1.58 mm) y de
acuerdo al análisis anterior se coloca una barra de acero inoxidable de 3/8 in
(9.52 mm) de 0 y misma longitud de los rodillos, para tener las mismas
condiciones de procesamiento, la Figura. 2.1 muestra el acomodo de los dos
pernos entre el componente adicional y un par de rodillos.
74
CAPÍTULO
Pernos
RodillosBarra de contacto
Figura. 3.9 Colocación de los pernos entre cada par de rodillos
La distribución de los pernos entre cada fila del dispositivo tiene unaseparación de 0.23 in entre uno y otro, distancia adecuada para lascondiciones ideales del plasma, para otros casos de aplicación la longitud delperno determinara la capacidad de carga, en la Figura. 3.10 se muestra ladistribución de los pernos sobre la cama de rodillos.
Figura. 3.10 Distribución de los pernos sobre la cama de rodillos
Únicamente los rodillos, la barra como componente adicional y los pernosestarán conformando la platina (cátodo) aislando la estructura y loscomponentes adicionales mediante el uso de un recubrimiento refractario
aplicado por rociado térmico sobre los ejes de los rodillos.
En la Figura. 3.11 se muestra cómo se realiza la conexión eléctrica hacia losrodillos, por la parte inferior de la cama de rodillos se utiliza un dispositivocon un balín que transfiere el movimiento, el balín está situado sobre un
75
CAPÍTULO III
colocación de estos es intercalada en cada extremo de los rodillos y lospiñones extremos de ambos lados son enlazados a un conjunto de ejes yengranes dirigidos al motor.
Para evitar interferencias eléctricas el motor es colocado en la parte exteriordel reactor. Uno de los principales problemas en el desarrollo del sistema demovimiento fue mantener un vacío adecuado para el proceso, la solución aeste problema fue utilizar un sello de fluido magnético que permite hacer laconexión entre la atmosfera y el vacío evitando fugas, estos dispositivospermiten alcanzar vacíos de 6 x 10-8 Pa. En la Figura. 3.13 se muestran loscomponentes del sistema de movimiento yse logra apreciar la distribución delos piñones. Las cadenas utilizadas son de acero grado maquinaria ytienenla capacidad de carga de 51.71 Kg suficientes para mover el sistema concarga.
N
\ _ Engranes de ejes de
?28f piñones ^
i
\ 1^0^yjp>/ detajlA/ SCALE1:2
/^v !^K^Engrane superior
de eje principalme principal
í
Engrane de^v \.
V\Sellt
Rodillos
Tapa del reactor
de fluido
Engrane ,o1ílT>.eJePrÍnCÍPal magnético
motor y ej
dctalB
SCALE1:2
Motor
Piñón conectado al eje
Baleros
y Piñones
intercaladosoctmlC
SCALE1:2
Figura. 3.13 representación esquemática del sistema de movimiento.
77
CAPÍTULO
3.1.6.3 Sistema de calentamiento
El calentamiento de las piezas se lleva a cabo por trasferencia de calor porradiación mediante el uso de resistencias eléctricas aisladas eléctricamentecon un material refractario pero con una alta conductividad térmica en el
interior de un tubo en forma de "U" de una aleación comercial de inconel. Laresistencia eléctrica está colocada sobre un carcasa de acero inoxidable quefunciona como un reflector de calor hacia una sola dirección, en la Figura.3.14 se observan los componentes de la resistencia eléctrica. Se utilizan 4resistencias eléctricas conectadas paralelo yse colocan lo más cerca posiblepara lograr un calentamiento eficiente y homogéneo, se atornillan sobre laestructura del diseño.
Carcasa reflectora
Vista frontal
Figura. 3.14 diseño de resistencia eléctrica
Resistenciaeléctrica
Los. sistemas anteriores componen y definen el desarrollo del diseño,funcional para el procesamiento de pernos a granel por nitruración iónica.Con el desarrollo de este diseño se mejora la eficiencia del equipo denitrurado iónico instalado en COMIMSA, la Figura. 3.15 y Figura. 3.16muestran una imagen del diseño terminado y presentado en el interior delreactor de nitruración.
78
CAPITULO III
adicionalmente determinan el tiempo en el que se requerirá dar
mantenimiento general al dispositivo. A continuación se presenta el detalle
de los materiales seleccionados y su fundamento, para la construcción del
dispositivo móvil para nitrurado de pernos a granel.
3.1.7.1 Estructura
La estructura es el componente estructural principal del dispositivo y todos
los accesorios dependen de su rigidez y fuerza, por lo tanto debe ser
fabricada de un material capaz que cumpla con tales características a la
temperatura de nitruración (600°C) y que no requiera de mantenimiento
significativo ni consumibles. Un acero estructural es el indicado para la
fabricación de la estructura, por lo tanto se seleccionaron perfiles PTR y CPS
de acero A 36, así mismo, las soleras de soporte colocadas debajo de ambos
CPS serán de un acero al carbono comercial que cumple con los
requerimientos establecidos.
Con el objetivo de aislar eléctricamente la estructura soporte de la carcasa
del reactor de nitruración, se seleccionaron ladrillos refractarios de alúmina
de alta densidad. Es importante asegurarse que el ladrillo refractario no se
degrade, para evitar que los posibles residuos sean succionados por el
sistema de vacío y se dañe alguno de los componentes de las bombas de
vacío.
3.1.7.2 Cátodo y sistema de transmisión.
Este sistema se compone principalmente de los rodillos que forman la platina
del equipo (cátodo) por lo que deberán tener una excelente conductividad
térmica y eléctrica, el material que se seleccionó para la fabricación de los
rodillos, fue un acero inoxidable comercial 304 principalmente por sus
características de conductividad eléctrica y resistencia mecánica a altas
temperaturas, así mismo, su resistencia a la corrosión ya que en algunos
casos dentro del mismo reactor pueden llevarse a cabo procesos dúplex de
80
CAPITULO III
nitrurado iónico y post-oxidado, el cual se caracteriza por promover un
proceso corrosivo.
Con la finalidad de que los rodillos porta pernos puedan tener un giro sin-fin,
estos estarán colocados de forma individual en un balero en cada uno de sus
extremos. Las características de dicho balero deben ser específicas para
operar en una atmósfera al vacío, de modo tal que no deben requerir algún
tipo de lubricante viscoso ó solido que pueda volatilizarse a la temperatura y
presión de trabajo, contaminando la atmósfera del plasma. En ese sentido se
han seleccionado baleros secos (sin lubricante líquido) para vacío. Estos
rodamientos, incluyen balines de bísulfuro de molibdeno con alta resistencia
a la fricción y baja conductividad térmica. Los anillos superior e inferior de
dichos baleros son fabricados de acero inoxidable.
Como se ha mencionado previamente, cada uno de los rodillos que
soportarán la carga de pernos debe estar aislado eléctricamente tanto de la
carcasa del reactor de nitruración como de la propia estructura de soporte.
En ese sentido, el aislamiento entre la cama de rodillos y la estructura de
soporte puede realizarse mediante la aplicación de un recubrimiento
cerámico de alúmina sobre los extremos de los ejes de los rodillos. Tal
recubrimiento puede ser aplicado medíante alguna de las diversas
tecnologías de rociado térmico.
La transmisión del movimiento de un motor hacía los rodillos se realiza
mediante una serie de piñones y cadenas de transmisión. Tanto las cadenas
como los piñones son de un acero grado maquinaria comercial que garantiza
la durabilidad y confianza del producto.
Los ejes que conectan al conjunto de engranes al motor completan el
sistema de transmisión, un material apropiado para la fabricación de los eje
es un acero grado maquinaria 4140 el cual se caracteriza por poseer
excelentes propiedades como fatiga y abrasión. Los engranes también
81
CAPITULO III
pueden ser fabricados en este tipo de acero sin embargo el uso de un acero
4340 es más común para estas aplicaciones.
Con el objetivo de transmitir el movimiento de un motor hacía el sistema de
movimiento de los pernos, es requerido un eje o flecha de transmisión.
Debido a las características del proceso, el motor no puede colocarse dentro
del reactor al vacío, por lo que es necesario que el eje atraviese la pared del
reactor mediante un sistema que permita su libre movimiento evitando la
entrada de aire del exterior hacia el interior de la cámara de vacío. Para tal
caso, se ha seleccionado un sistema de sellado mediante fluido magnético.
El sello mediante fluido magnético es un término genérico utilizado para
describir todos los sellos que emplean fluidos magnéticos. Un sello mediante
fluido magnético se llena con un fluido magnético que se orienta con las
líneas de fuerza magnéticas. Este tipo de sellos es de alta durabilidad en
comparación con los sellos sólidos así como bajos niveles de torque debido a
la ausencia de los fenómenos de abrasión. Este tipo de sellos consisten de
tres componentes, 1 partículas magnéticas, 2 surfactante y 3 una base
líquida. Su funcionalidad depende ampliamente de las propiedades del fluido
magnético, sin la cantidad adecuada de surfactante una pequeña cantidad de
partículas magnéticas (Fe304) tienden a separarse y precipitarse por lo tanto
no se mantiene uniforme el líquido. Los sellos para vacío de fluidos
magnéticos son especíales para conservar el vacío y generar un movimiento
rotacional en cámaras de vacío [38]. En la Figura. 3.17 se muestran las
partes del sello de fluido magnético.
82
CAPITULO
Pole Piece
Vacuum
Housing
^—Pio|ection
Figura. 3.17 sistema de sellado por fluido magnético
3.1.7.3 Sistema de calentamiento
El plasma utilizado en el procesamiento por nitrurado iónico provee una
cierta cantidad de energía en forma de calor a la carga; sin embargo, tal
energía no es suficiente para alcanzar las temperaturas de procesamiento.
Así,, se requiere un sistema de calentamiento independiente que permita
elevar la temperatura de la carga bajo tratamiento hasta valores adecuados y
mantenerla en un rango limitado de variación.
Tal sistema para proveer calor a la carga bajo tratamiento esta
conceptualizado a través del uso de resistencias eléctricas radiativas
distribuidas en un arreglo tal que permita el mayor aprovechamiento del calor
radiado. El material de la resistencia eléctrica es una aleación comercial a
base de Cromo-Hierro-Aluminio que tiene grandes ventajas como estabilidad
térmica. El alambre de esta aleación es recubierto de un material cerámico
refractario de alta conductividad térmica y alta resistividad eléctrica y a su
vez colocado sobre una súper-aleación base níquel (inconel), caracterizada
por poseer buenas propiedades para irradiar el calor de su superficie. El
Atmosphere
MagneticFlux Lines
Magnet
Magnetic Fluid
Magnet
Pote Piece
83
CAPITULO III
elemento calefactor se ha colocado dentro de un tubo en forma de "U" de
dicha súperaleción y este a su vez se ha colocado en un reflector de lámina
de acero inoxidable con una terminación a pulido espejo permite direccionar
el flujo de calor en una sola dirección.
El sistema de resistencia eléctricas es controlado en un circuito cerrado
mediante el monitoreo de la temperatura de la carga mediante una serie de
termopares tipo K por su rango de trabajo.
La cantidad de masa total que se pretende calentar es la suma de la masa
de los rodillos más la masa de las piezas o pernos a tratar. Cada rodillo tiene
un peso de 750 g por lo que la masa total de los 26 rodillos es de 19.5 Kg. La
cantidad máxima considerada de pernos de % in de 0 X 1 ¡n de longitud es
de mil piezas, las cuales representan una masa total de 6.230 Kg.
Adicionalmente, se requieren 25 barras de conexión, las cuales se situadas
entre un rodillo y otro, lo que corresponde a 3.740 kg adicionales. Así, la
totalidad de la de masa que se debe calentar es de 29.470 Kg. Sobre la
totalidad de la masa determinada, se debe dimensionar la capacidad de las
resistencias, por lo que inicialmente se debe determinar la cantidad de calor
que se requiere para incrementar la temperatura de dicha masa hasta 600°C.
Sabemos que la cantidad de calor necesario para incrementar la temperatura
de un material específico está dada por:
3-1
Q = mCPAT
Dónde:
Q = es el la cantidad de energía necesaria para calentar la masa en J.
m = es la masa total a calentar en Kg
Cp = es el calor especifico del material en J/Kg °k
AT = es el cambio de temperatura requerido en °K
84
CAPITULO
En ese sentido, considerando que se debe elevar la temperatura de dicha
masa hasta 600°C, y que el material es un acero, se puede determinar la
cantidad de energía requerida para tal efecto, así:
3-2
Q=(29.470 Kg) (500 A^t) (S7^°k ~298°k) =8472625/
Considerando que el tiempo de calentamiento de la carga debe ser alrededor
de 30 minutos, la potencia necesaria para dicho calentamiento puede ser
determinada, entonces:
3-3
Q 8472625
P=7 =AsocT = 4707 Watls
Por lo tanto, considerando la utilización de 4 resistencias eléctricas para
lograr calentamiento de la carga de temperatura ambiente hasta 600°C en
30 minutos, se requerirán resistencias con una potencia no menor a 1600 W
considerando ya un factor de eficiencia radiativa del 70 %.
85
CAPITULO IV
Capítulo IV Conclusiones
De acuerdo a la investigación bibliográfica realizada en cuanto al tratamiento
mediante nitrurado iónico de piezas a granel, es evidente que la cantidad de
piezas y procesos que requieren de este servicio, sin embargo, son pocas
las alternativas tecnológicas existentes en el mercado para solventar tal
demanda. En ese sentido, en el presente trabajo se llevó a cabo el diseño y
validación de un dispositivo dinámico para el tratamiento medíante nitrurado
iónico de pernos a granel. El dispositivo fue diseñado sobre la base del
requerimiento específico de un reactor de nitruración escala industrial que
actualmente se encuentra en el proceso de puesta en operación.
El diseño se llevó a cabo mediante la metodología para el diseño identificada
como ingeniería concurrente. Esta metodología es caracterizada por mostrar
un panorama más amplio de todo lo que rodea el desarrollo del producto. El
tiempo en conceptualizar y definir el problema se incrementa a raíz del uso
de tal metodología, sin embargo se producen menor número de errores y se
identifican más fácilmente al desarrollar el diseño del producto.
Sobre la base de la metodología de diseño empleada y el desarrollo del
diseño mismo mostrado en el presente trabajo, se puede concluir lo
siguiente:
Se diseñó un dispositivo dinámico porta-muestras para el procesamiento de
pernos a granel. Tal dispositivo es un accesorio de un equipo de nitrurado
iónico en escala industrial, utilizado para mejorar las propiedades
superficiales de dichas piezas metálicas.
r- El dispositivo diseñado puede competir con los actuales procesos de
nitruración ya que permite el procesamiento 1480 pernos a granel, 48
% más cantidad que la propuesta inicial. Además el dispositivo puede
procesar el 100 % de la superficie del perno.
86
CAPITULO IV
La selección de materiales permite asegurar que el dispositivo
funcionará correctamente en condiciones de vacío y alta temperatura.
Adicionalmente a los requerimientos se logró que el dispositivo tuviera
la capacidad de sólo utilizar el área de cátodo necesaria para el
proceso de acuerdo a su carga, esto se logró mediante la conexión
eléctrica hacia un rodillo principal, transmitiendo la corriente hacia el
resto por los mismos pernos y la barra adicional.
Por el acomodo de las resistencias eléctricas la eficiencia será mayor
ya que la distancia a la que se encuentran evita tener pérdidas de
calor significativas.
El área del perno expuesta al plasma es de un 80 %, por lo que se
esperaría que el tiempo de procesamiento incremente únicamente en
un 20 % respecto al procesamiento de un nitrurado iónico estático.
87
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