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Esta nueva edición de Kalpakjian está dirigida a los estudiantes de las licenciaturas de manufac- tura, en el nivel técnico, de ingeniería en manufactura, ingeniería mecánica e ingeniería industrial. ManufacturA, El contenido se actualizó en su totalidad y aborda aspectos fundamentales para la manuf...

Description

Esta nueva edición de Kalpakjian está dirigida a los estudiantes de las licenciaturas de manufactura, en el nivel técnico, de ingeniería en manufactura, ingeniería mecánica e ingeniería industrial. El contenido se actualizó en su totalidad y aborda aspectos fundamentales para la manufactura moderna, desde los temas tradicionales —como los procesos de fundición, formado, maquinado y unión—, hasta temas avanzados como la fabricación de dispositivos microelectrónicos y sistemas microelectromecánicos (MEMS).

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Cada capítulo comienza con una breve descripción de los objetivos del capítulo, los temas por tratar y su relevancia.

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Presenta dos capítulos relativos a los temas de dispositivos microelectrónicos y microelectromecánicos y sistemas de manufactura, incluyendo el MEMS.

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Se incluyen alrededor de 120 ejemplos y estudios de caso.

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Se actualizaron las preguntas y los problemas de cada capítulo, de los cuales aproximadamente 20% son nuevos.

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La mayoría de las ilustraciones se modificaron para mejorar el impacto gráfico y la claridad, además de agregar una gran cantidad de fotografías. TM

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ManufacturA, INGENIERÍA Y TecNOLOGÍA

Lo nuevo en esta edición:

ManufacturA, INGENIERÍA Y TecNOLOGÍA QUINTA EDICIÓN

QUINTA EDICIÓN

Kalpakjian Schmid

S. Kalpakjian • S. R. Schmid

LISTA DE TABLAS EN EL LIBRO Introducción General I.1 I.2 I.3 I.4

Número de partes en algunos productos 2 Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura 5 Características generales de manufactura de diversas aleaciones 17 Compensación por hora aproximada relativa para trabajadores manufactureros, 2003. Estados Unidos = 100. Los costos de compensación varían dependiendo de los beneficios y las prestaciones 40

Part I Fundamentos de materiales: Comportamiento y propiedades de manufactura 1.1 1.2 2.1

2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 4.1 5.1 5.2

5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6.1

6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

6.10 7.1

Tamaños de grano 55 Rangos de temperatura homóloga para diferentes procesos 60 Propiedades mecánicas relativas de diversos metales a temperatura ambiente, en orden decreciente. Los metales se encuentran en forma de aleación 65 Propiedades mecánicas de diversos materiales a temperatura ambiente 67 Valores característicos para K y n a temperatura ambiente 72 Rangos característicos de deformación y de velocidad de deformación en procesos de manufactura 75 Propiedades físicas de diversos materiales a temperatura ambiente 103 Propiedades físicas de materiales, en orden descendente 104 Relación de esfuerzo máximo a la fluencia con respecto a la densidad de algunos metales 104 Descripción de los procesos de tratamiento térmico para endurecimiento superficial 138 Selección típica de aceros al carbono y aleados para diversas aplicaciones 156 Propiedades mecánicas características de aceros al carbono y aleados seleccionados, en condiciones de laminado en caliente, normalizado y recocido 159 Denominación AISI para hoja de acero de alta resistencia 160 Propiedades mecánicas a temperatura ambiente y aplicaciones típicas de aceros inoxidables recocidos seleccionados 162 Tipos básicos de aceros para matrices y herramentales 163 Características de procesamiento y de servicio de aceros comunes para matrices y herramentales 164 Materiales típicos para matrices y herramental para trabajo de los metales 165 Costo aproximado por unidad de volumen para metales forjables y plásticos, en relación con el costo del acero al carbono 170 Características generales de los metales y aleaciones no ferrosas 170 Propiedades de aleaciones seleccionadas de aluminio a temperatura ambiente 171 Propiedades de manufactura y aplicaciones típicas de aleaciones forjables de aluminio seleccionadas 172 Propiedades y formas típicas de aleaciones forjables de magnesio seleccionadas 176 Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones forjables de cobre y latones seleccionadas 177 Propiedades y aplicaciones típicas de bronces forjables seleccionadas 178 Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones de níquel seleccionadas (todos son nombres comerciales) 179 Propiedades y aplicaciones típicas de superaleaciones base níquel seleccionadas a 870 °C (1600 °F) (todos son nombres comerciales) 180 Propiedades y aplicaciones típicas de aleaciones de titanio seleccionadas a diferentes temperaturas 181 Gama de propiedades mecánicas para diversos plásticos de ingeniería a temperatura ambiente 192

7.2 7.3 7.4 8.1 8.2 8.3 9.1 9.2 9.3 9.4

Temperaturas de transición vítrea y de fusión de algunos polímeros 201 Recomendaciones generales para productos plásticos 209 Nombres comerciales de polímeros termoplásticos 209 Tipos y características generales de los cerámicos 222 Propiedades de diversos cerámicos a temperatura ambiente 225 Propiedades de diferentes vidrios 230 Tipos y características generales de los materiales compósitos 240 Propiedades características de las fibras de refuerzo 242 Materiales y aplicaciones de compósitos de matriz metálica 252 Resumen de propiedades de fibras y materiales para un caliper automotor de frenos 253

Parte II Procesos y equipo para la fundición de metales 10.1 11.1 11.2 11.3 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Contracción o dilatación volumétrica por solidificación para diversos metales fundidos 275 Resumen de procesos de fundición 286 Características generales de los procesos de fundición 288 Propiedades y aplicaciones características de algunas aleaciones comunes de fundición a presión en matriz 308 Tolerancia normal a la contracción para algunos metales fundidos en moldes de arena 326 Aplicaciones comunes de las fundiciones y características de fundición 334 Propiedades y aplicaciones comunes de los hierros fundidos 334 Propiedades mecánicas de los hierros fundidos grises 335 Propiedades y aplicaciones comunes de las aleaciones no ferrosas fundidas 335 Características generales de los costos de los procesos de fundición 337

Parte III Procesos y equipo de formado y moldeado III.1 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15.1 16.1 16.2 16.3 16.4 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 18.1

Características generales de los procesos de formado y moldeado 346 Características generales de los procesos de forjado 373 Intervalo de valores de k para la ecuación 14.2 378 Clasificación de metales en orden decreciente de forjabilidad 386 Intervalos característicos de velocidades del equipo de forjado 390 Comparación de diseños de soportes de suspensión del automóvil Lotus Elise 395 Intervalos característicos de temperaturas de extrusión para diversos metales y aleaciones 406 Características generales de los procesos de formado de hojas metálicas (en orden alfabético) 426 Características importantes de los metales en las operaciones de formado de hojas (láminas) 436 Radio mínimo de doblado para diversos metales a temperatura ambiente 442 Intervalos característicos de anisotropía normal promedio, Rprom para diferentes hojas (láminas) metálicas 454 Presiones de compactado para diversos polvos 493 Temperatura y tiempo de sinterización para diversos metales 499 Propiedades mecánicas de materiales seleccionados de P/M 501 Comparación de propiedades mecánicas de algunos metales forjados y de P/M equivalentes (sólo sinterizados) 502 Comparación de propiedades mecánicas de la aleación de titanio Ti-6AL-4V 502 Partes de titanio forjadas y de P/M y ahorro en los costos 509 Características generales del procesamiento de cerámicos 514

FACTOR DE CONVERSIÓN PARA UNIDADES SI PROPIEDAD

PARA CONVERTIR DE

A

MULTIPLICAR POR

Aceleración Ángulo

pie/s2 grado minuto segundo pulg2 pie2 pulg2 pie2 lb/pulg3 pie # lb Btu caloría watt # h kgf lb pulg pie lb tonelada (métrica) tonelada (corta) hp Btu/min pie # lb/min lb/pulg2 bar atmósfera Btu/h # pie # °F cal>s.cm # °C Btu>lb # °F lb # pulg lb # pie pie/min rpm pulg3 pie3 pulg3 pie3 galón (EUA)

m/s2 rad rad rad m2 m2 mm2 mm2 kg/m3 J J J J N N m m kg kg kg W W W Pa Pa Pa W/m # K W/m # K J/kg # K N#m N#m m/s rad/s m3 m3 mm3 mm3 litro

3.048 1.745 2.909 4.848 6.452 9.290 6.452 9.290 2.768 1.356 1.054 4.184 3.600 9.807 4.448 2.540 3.048 4.536 1.000 9.072 7.457 1.757 2.260 6.895 1.000 1.013 1.730 4.184 4.184 1.130 1.356 5.080 1.047 1.639 2.832 1.639 2.832 3.785

* * * * * * * * *

lb/pulg2 lb/pulg3 kg>mm2 Btu/h # pie # °F onza micropulgada angstrom tonelada métrica tonelada corta

kgf>mm2 g/cm3 MPa cal/s # cm # °C g micra m kg lb

7.030 2.768 9.807 4.134 2.835 2.540 10-10 103 2.240

* 10 -4 * 10

Área

Densidad Energía

Fuerza Longitud Masa

Potencia

Presión, esfuerzo

Térmica

Torque Velocidad Volumen

OTRAS CONVERSIONES

10 -1 10 -2 10 -4 10 -6 10 -4 10 -2 102 104 104

* 103 * 103

* * * * * * * * * * *

10 -2 10 -1 10 -1 103 102 102 10 10 -2 103 105 105

* 102 * 103 * 10 -1 * * * * * *

10 -3 10 -1 10 -5 10 -2 104 107

* 10 -3 * 10 * 10 -2 * 103

19.1 19.2 20.1 20.2

Características generales de los procesos de formado y moldeo para plásticos y materiales compósitos 535 Comparativo de características de producción de diversos métodos de moldeo 574 Características de las tecnologías de producción aditiva de prototipos rápidos 582 Propiedades mecánicas de materiales seleccionados para producción de prototipos rápidos 582

Parte IV Procesos de maquinado y máquinas herramienta 21.1 21.2

21.3 21.4

22.1 22.2

22.3 22.4 22.5 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8 23.9 23.10 23.11 23.12 24.1 24.2 24.3 25.1 26.1 26.2 26.3

Factores que influyen en las operaciones de maquinado 610 Intervalo aproximado de requerimientos de energía en las operaciones de corte por lo que se refiere al motor de accionamiento de la máquina herramienta (multiplicar por 1.25 para herramientas desafiladas) 622 Intervalos de valores de n para la ecuación de Taylor (21.20a) en diversos materiales para herramientas 628 Profundidad de desgaste permisible promedio (ver VB en la fig. 21.15c) para herramientas de corte en diversas operaciones de maquinado 631 Propiedades generales de los materiales para herramientas 649 Características generales de los materiales para herramientas de corte (estos materiales para herramientas tienen una amplia variedad de composiciones y propiedades. En muchas categorías de materiales para herramientas existen traslapes) 650 Características generales de operación de los materiales para herramientas de corte 651 Clasificación ISO de las herramientas de corte de carburos de acuerdo con su uso 656 Clasificación de los carburos de tungsteno de acuerdo con sus aplicaciones de maquinado 657 Características generales de los procesos de maquinado y tolerancias dimensionales características 676 Recomendaciones generales de ángulos de herramientas en torneado 678 Resumen de parámetros y fórmulas de torneado 680 Recomendaciones generales para operaciones de torneado 682 Recomendaciones generales de fluidos de corte para maquinado (ver también capítulo 33) 685 Capacidades típicas y máximas dimensiones de piezas de trabajo para máquinas herramienta 688 Datos para el ejemplo 23.3 696 Velocidades normales de producción para diversas operaciones de maquinado 696 Guía general de resolución de problemas para operaciones de torneado 699 Capacidades generales de las operaciones de taladrado y mandrinado 706 Recomendaciones generales de velocidades y avances en taladrado 711 Guía general de resolución de problemas para operaciones de taladrado 712 Resumen de parámetros y fórmulas del fresado periférico 727 Recomendaciones generales para operaciones de fresado 736 Guía general de resolución de problemas para operaciones de fresado 737 Comparación de condiciones de maquinado convencional contra maquinado de media luna roja 780 Intervalos de dureza Knoop para diversos materiales y abrasivos 792 Requerimientos aproximados de energía específica para rectificado de superficies 801 Intervalos característicos de velocidades y avances para procesos abrasivos 808

26.4 26.5 27.1 27.2

Características generales de los procesos y máquinas para el maquinado abrasivo 809 Recomendaciones generales para fluidos para rectificado 817 Características generales de los procesos de maquinado avanzado 837 Aplicaciones generales de los rayos láser en la manufactura 851

Parte V Fabricación de dispositivos microelectrónicos y micromanufactura 28.1 28.2 28.3 29.1 29.2

Características generales de las técnicas de litografía 879 Características generales de las operaciones de ataque (grabado) de silicio 885 Comparación de velocidades de ataque 886 Comparación de técnicas de manufactura de micromoldes 923 Comparación de propiedades de materiales de imanes permanentes 924

Parte VI Procesos y equipo para unión VI.1 30.1 30.2 32.1 32.2 32.3 32.4

Comparación de diversos métodos de unión 939 Características generales de los procesos de soldadura por fusión 941 Designación de electrodos de acero dulce recubiertos 955 Metales de aporte comunes para la soldadura fuerte de diversos metales y aleaciones 1006 Tipos de aleaciones de soldadura blanda y sus aplicaciones 1010 Propiedades y características comunes de los adhesivos estructurales químicamente reactivos 1015 Características generales de los adhesivos 1016

Parte VII Tecnología de superficies 34.1

Recubrimientos cerámicos para aplicaciones de alta temperatura 1076

Parte VIII Aspectos comunes de la manufactura 36.1 36.2 36.3 36.4

Expectativa de vida de algunos productos 1112 Los 14 puntos de Deming 1114 Constantes para las tablas de control 1126 Datos para el ejemplo 36.3 1129

Parte IX Manufactura en un ambiente competitivo 37.1 37.2 39.1 40.1 40.2 40.3 40.4 40.5

40.6 40.7 40.8 40.9

40.10

Desarrollo en la historia de la automatización de los procesos de manufactura 1146 Cantidad aproximada de producción anual 1149 Comparación de características generales de líneas de transferencia y sistemas flexibles de manufactura 1222 Referencias a diferentes temas en este libro 1240 Costo relativo de reparación en diferentes etapas de desarrollo y venta del producto 1244 Expectativa de vida promedio para diferentes productos. Ver también tabla 36.1 1244 Formas de materiales disponibles comercialmente 1247 Costo aproximado por unidad de volumen para metales forjables y polímeros, en relación con el costo del acero al carbono 1249 Intervalos aproximados de desperdicio generado en diferentes procesos de manufactura 1250 Cambios de materiales del avión militar de carga C-5A al C-5B 1252 Características generales de los procesos de manufactura para diferentes metales y aleaciones 1258 Costos relativos para maquinaria y equipo (los costos varían mucho, dependiendo del tamaño, capacidad, opciones y nivel de automatización y de control por computadora. Ver también las secciones de economía en diferentes capítulos) 1263 Aspectos de diseño para contenedores de solución intravenosa 1268

Manufactura, ingeniería y tecnología

QUINTA EDICIÓN

Serope Kalpakjian Illinois Institute of Technology

Steven R. Schmid The University of Notre Dame

TRADUCCIÓN Jaime Espinosa Limón Ingeniero mecánico REVISIÓN TÉCNICA Francisco Javier Sandoval Palafox Ulises Figueroa López Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Roberto Hernández Cárdenas Departamentos de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería Industrial Tecnológico de Estudios Superiores de Jilotepec

Datos de catalogación bibliográfica KALPAKJIAN, SEROPE Manufactura, ingeniería y tecnología. Quinta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2008 ISBN: 978-970-26-1026-7 Área: Ingeniería Formato: 21 × 27 cm

Páginas: 1328

Authorized translation from the English language edition, entitled Manufacturing engineering and technology, 5th edition by Serope Kalpakjian and Steven Schmid, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright © 2006. All rights reserved. ISBN 0-13-148965-8 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Manufacturing engineering and technology, 5a edición por Serope Kalpakjian y Steven Schmid, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright © 2006. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor:

Luis Miguel Cruz Castillo e-mail: [email protected] Editora de desarrollo: Claudia Celia Martínez Amigón Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés Vice President and Editorial Director, ECS: Marcia J. Horton Executive Editor: Eric Svendsen Associate Editor: Dee Bernhard Executive Managing Editor: Vince O’Brien Managing Editor: David A. George Production Editor: Rose Kernan Director of Creative Services: Paul Belfanti Creative Director: Heather Scott Cover Designer: John Christiana Art Editor: Xiaohong Zhu Manufacturing Manager: Alexis Heydt-Long Manufacturing Buyer: Lisa McDowell Senior Marketing Manager: Holly Stark QUINTA EDICIÓN 2008 D.R. ©

2008 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500, 5° piso Col. Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected]

Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-1026-5 ISBN 13: 978-970-26-1026-7 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09 08

a una hermana especial

Mari Yegiyayan con gratitud ya una maravillosa hija

Carly Petronis Schmid

CONTENIDO Prefacio xxiii Acerca de los autores xxvii Introducción general 1 I.1 I.2 I.3 I.4 I.5 I.6 I.7 I.8 I.9 I.10 I.11

¿Qué es la manufactura? 1 El proceso de diseño del producto y la ingeniería concurrente 11 Diseño para manufactura, ensamble, desensamble y servicio 14 Selección de materiales 16 Selección de procesos de manufactura 19 Diseño y manufactura consciente del medio ambiente 32 Manufactura integrada por computadora 33 Producción esbelta y manufactura ágil 37 Aseguramiento de la calidad y administración de la calidad total 38 Competitividad global y costos de manufactura 39 Tendencias generales en la manufactura 41

Parte I: Fundamentos de materiales: comportamiento y propiedades de manufactura 43

1

La estructura de los metales 46 1.1 Introducción 46 1.2 Estructura cristalina de los metales 47 1.3 Deformación y resistencia de los monocristales 50 1.4 Granos y límites de granos 54 1.5 Deformación plástica de los metales policristalinos 57 1.6 Recuperación, recristalización y ...