Exercicis: Tècniques de fabricació industrial

Classifica aquestes peces segons el procés de fabricació més probable (emmotllament, mecanitzat o conformat) i justifica la teva elecció: una carcassa de comandament a distància, un eix estriat de precisió, una canonada de coure, un bloc de motor i una xapa de carrosseria de cotxe.

Explica què és el mecanitzat per arrencament d'encenall i descriu tres operacions bàsiques (tornejat, fresatge i trepat): a cadascuna, indica què es mou (la peça o l'eina) i quina forma s'obté.

Una xapa d'acer de $3{,}0\ \text{mm}$ de gruix entra en un laminador, com es mostra a la figura, els corrons del qual redueixen el gruix un $20\,\%$ a cada passada. Calcula el gruix a la sortida de la primera passada i explica per què el laminatge és un procés de conformat per deformació plàstica.

Descriu el procés de fosa en sorra pas a pas (model, motlle de sorra, colada, desemmotllament, neteja) i cita dos avantatges i dues limitacions del procés enfront del mecanitzat.

Explica en què consisteix la injecció de termoplàstics (plastificar el material, injectar-lo al motlle, refredar i expulsar) i anomena quatre objectes quotidians fabricats així. Per què el motlle és tan costós i, tot i així, el procés és rentable?

Explica què és la forja i quina diferència hi ha entre forja lliure (a martell, amb el forjador guiant la peça) i forja en matriu (estampació en calent). Per què les peces forjades solen ser més resistents que les fundides de la mateixa forma?

Descriu el procés d'extrusió amb l'analogia del tub de pasta de dents i anomena tres productes extruïts (perfils d'alumini, tubs, cables folrats). Per què l'extrusió només produeix peces de secció constant?

Per a cada geometria indica la màquina adequada (torn o fresadora) i raona la teva elecció: un eix cilíndric amb ranura, una carcassa prismàtica amb cavitats, una rosca exterior i una guia plana amb canals.

Una empresa necessita fabricar carcasses de plàstic per a un altaveu portàtil. Analitza quin procés triaries si la producció prevista és de $100\,000$ unitats a l'any i quin si només es necessiten cinc prototips per presentar a inversors, raonant els costos fixos (motlles, utillatges) i els costos per peça de cada opció.

Compara el mecanitzat per arrencament d'encenall amb els processos de deformació (forja, laminatge, estampació) des de tres punts de vista: aprofitament del material, energia consumida i estat de l'estructura interna de la peça resultant. Per què les bieles de motor solen forjar-se en comptes de mecanitzar-se des d'un bloc?

Ordena les etapes de fabricació d'una carcassa de fosa d'alumini per a una bomba d'aigua: (a) mecanitzat de les superfícies de suport i rosques, (b) emmotllament en sorra i colada, (c) inspecció final i control dimensional, (d) eliminació de la sorra i desbarbat, (e) disseny del model i del motlle amb canals d'alimentació. Explica què es fa a cada etapa.

La soldadura és el principal procés d'unió permanent en estructures metàl·liques. Compara soldadura per arc amb elèctrode, MIG/MAG i TIG: què aporta el material d'aportació a cadascuna, quin gas s'utilitza i una aplicació típica de cada procediment.

La carrosseria d'un cotxe es fabrica per estampació de xapa en premses. Descriu la seqüència (tall de la xapa, embutició, plegatge, punxonat), quins defectes poden aparèixer (arrugues, esquerdes, retorn elàstic) i per què aquest procés només és rentable en grans sèries.

Relaciona cada procés amb la precisió dimensional i l'acabat superficial que pot aconseguir sense operacions posteriors: fosa en sorra, mecanitzat, laminatge i impressió 3D. Explica per què les superfícies de contacte d'una peça fosa gairebé sempre es mecanitzen després.

Un motlle d'injecció costa $30\,000\ \text{€}$ i cada peça injectada costa $0{,}50\ \text{€}$; fabricar les mateixes peces per impressió 3D costa $6\ \text{€}$ per unitat sense motlle. a) Calcula a partir de quantes peces amortitza el motlle. b) Comenta quins altres factors, a més del cost unitari, influeixen en la decisió (termini, canvis de disseny, acabat).

Compara una fresadora convencional amb un centre de mecanitzat CNC: què aporta el control numèric (repetibilitat, geometries complexes, canvi automàtic d'eina) i en quins casos continua sent raonable la màquina manual (peça única, reparació ràpida, formació).

Cal fabricar $2\,000$ politges d'alumini de $120\ \text{mm}$ de diàmetre amb un forat central de $20\ \text{mm}$ i una ranura de xaveta. Dissenya el pla de fabricació complet: procés d'obtenció del desbast (fosa o barra?), seqüència de mecanitzat amb màquines concretes, utillatges necessaris i controls de qualitat intermedis i finals.

Una empresa dubta entre fabricar per mecanitzat CNC o per impressió 3D metàl·lica una peça de geometria molt complexa amb canals interns de refrigeració per a un prototip de turbina (tres unitats). Analitza els avantatges i inconvenients de cada tecnologia per a aquest cas concret (geometria possible, acabat superficial, propietats del material, cost i termini) i pren una decisió justificada.

En el muntatge d'un lot d'eixos en coixinets el forat dels quals té una dimensió de $\varnothing\,25^{+0{,}021}_{0}\ \text{mm}$, s'especifica que l'ajust ha de ser amb joc. La cota objectiu de mecanització fixada en plànol per a l'eix era $\varnothing\,25_{-0{,}040}^{-0{,}020}\ \text{mm}$. Tanmateix, en el control de recepció es detecta que diversos eixos entren amb serratge i bloquegen el gir. En mesurar cinc eixos conflictius a temperatura normalitzada ($20\ ^\circ\text{C}$), s'obtenen: $25{,}024\ \text{mm}$, $25{,}020\ \text{mm}$, $25{,}018\ \text{mm}$, $25{,}015\ \text{mm}$ i $25{,}012\ \text{mm}$.

1. a) Calcula el joc màxim i mínim teòrics que s'havien d'haver obtingut i demostra matemàticament quin tipus d'ajust real es produeix en muntar aquestes peces defectuoses als coixinets.
2. b) L'operari afirma: «Vaig mesurar les peces tot just treure-les del torn i estaven a $24{,}970\ \text{mm}$, la fallada ha de ser dels coixinets». Rebat tècnicament aquesta afirmació calculant l'increment de temperatura $\Delta T$ que bastaria que experimentés la peça d'acer (coeficient de dilatació $\alpha = 12 \cdot 10^{-6}\ \text{K}^{-1}$) durant una mecanització en sec per falsejar el mesurament a peu de màquina.
3. c) Justifica quines altres dues fallades sistemàtiques en el procés de tornejat exterior (relatives al desgast de l'eina o al reglatge de la màquina) provoquen que la cota real sigui superior a la nominal programada.

Una planta industrial produeix ampolles de polietilè d'alta densitat (HDPE) d'$1\ \text{L}$ ($500\,000\ \text{uts/any}$) mitjançant extrusió i bufatge. En el control de qualitat es detecten dues fallades recurrents: trencament per aixafament a les cantonades inferiors del fons en apilar els envasos, on el gruix cau per sota de $0{,}35\ \text{mm}$, i microfues a la costura de soldadura del fons produïda pel pinçament de la preforma.

1. a) Justifica físicament per què en l'extrusió i bufatge convencional el gruix de paret disminueix de manera crítica a les cantonades i parts més allunyades de l'eix de l'ampolla, i explica com es corregeix aquest problema mitjançant el control dinàmic del gruix de la preforma al llarg de la seva longitud.
2. b) Analitza les causes possibles de les fuites a la línia de soldadura inferior i proposa quins paràmetres de procés (temperatura d'extrusió de la preforma, pressió/velocitat de tancament de les mordasses del motlle o temps de refredament) has d'ajustar per aconseguir una termosoldadura estanca i resistent.
3. c) Dissenya un pla de control de qualitat a peu de línia que combini un assaig destructiu i un de no destructiu per verificar l'estanquitat i la resistència mecànica dels envasos produïts.

Per a un motor monocilíndric de competició es projecta fabricar una sèrie de $5\,000$ bieles en acer aliat al crom-molibdè. Un primer lot de prova, fabricat mitjançant arrencament de ferritja directe a partir d'una platina massissa laminada, va fallar prematurament per trencament per fatiga en la transició entre el cos i el cap.

1. a) Justifica per què la forja en estampa en calent proporciona una vida a fatiga radicalment superior al mecanitzat directe des de bloc massís o a la fosa, analitzant la continuïtat i orientació de les línies de flux del material (fibra).
2. b) Dissenya la seqüència de fabricació completa justificant cada etapa: estat del material després de la forja, tractament tèrmic necessari per assolir un equilibri òptim entre límit elàstic i tenacitat, operacions de mecanitzat requerides per a les zones crítiques (ulls de cap i peu) i tractament mecànic final per retardar la propagació de microesquerdes superficials.
3. c) Determina quins assajos destructius i no destructius (almenys dos de cada tipus) has d'implantar en el control de qualitat per certificar tant les propietats mecàniques com l'absència de defectes interns a les bieles forjades.

En una cèl·lula de tornejat es mecanitzen eixos amb cota crítica $\varnothing\,30 \pm 0{,}05\ \text{mm}$. Per al control estadístic de procés (SPC), es prenen subgrups de $n = 5$ peces cada hora. Durant les primeres quatre hores d'un torn es registren els següents valors mitjans de diàmetre ($\bar{X}$) i rangs ($R$):

• Hora 1: $\bar{X}_1 = 29{,}998\ \text{mm}$; $R_1 = 0{,}018\ \text{mm}$

• Hora 2: $\bar{X}_2 = 30{,}012\ \text{mm}$; $R_2 = 0{,}020\ \text{mm}$

• Hora 3: $\bar{X}_3 = 30{,}025\ \text{mm}$; $R_3 = 0{,}019\ \text{mm}$

• Hora 4: $\bar{X}_4 = 30{,}039\ \text{mm}$; $R_4 = 0{,}021\ \text{mm}$

(Constant per a límits de control amb $n = 5$: $A_2 = 0{,}577$).

1. a) A partir del rang mitjà $\bar{R} = 0{,}020\ \text{mm}$ i considerant com a línia central el valor nominal ($30{,}000\ \text{mm}$), calcula els Límits Superior i Inferior de Control ($\text{LSC}$ i $\text{LIC}$) per al gràfic de mitjanes $\bar{X}$.
2. b) Interpreta l'evolució temporal de $\bar{X}$. Encara que a l'hora 4 cap eix individual ha sobrepassat encara la tolerància del plànol ($30{,}05\ \text{mm}$), prediu què passarà a les hores 5 i 6 si no s'intervé i justifica quina causa física del mecanitzat origina aquest patró.
3. c) Decideix i justifica quina acció correctora immediata ha d'executar l'operari abans de continuar la producció.

Un taller ha de mecanitzar $40$ brides iguals amb quatre forats cadascuna. Compara mecanitzar-les una a una en trepant de columna amb plantilla enfront de preparar un programa CNC amb utillatge de subjecció múltiple: analitza temps de preparació i de cicle, cost d'errors i punt d'equilibri de la inversió en temps, i decideix amb hipòtesis raonables.

Avalua la sostenibilitat de dues rutes per a una mateixa peça d'alumini: mecanitzat des de bloc massís (molt encenall) enfront de forja prèvia amb mínim mecanitzat posterior. Considera energia de fabricació, material malbaratat i el seu reciclatge (l'encenall d'alumini sí que es recicla, però amb pèrdues), vida de l'eina i propietats finals de la peça. Conclou amb una recomanació raonada.

Repte del tema. Imagina que treballes en una oficina tècnica i has d'auditar el procés de fabricació d'un component metàl·lic sotmès a desgast de la teva llar (per exemple, una clau fixa, un pinyó de bicicleta o unes tisores de podar).

1. Presa de dades: Mesura amb regle o peu de rei les seves dimensions principals (amb un gruix o cota d'almenys $0,5\text{ mm}$) i dedueix les sol·licitacions mecàniques predominants que pateix en servei.

2. Selecció del conformat: Consulta fitxes de materials en bases de dades obertes (com ara MatWeb) i tria l'aliatge comercial òptim. Justifica la tècnica de fabricació adequada (forja, fosa o sinterització) enfront de la mecanització per arrencament de ferritja, valorant el cost energètic i l'orientació de fibra.

3. Tractament de millora: Dissenya el cicle tèrmic o superficial necessari (p. ex., tremp a $850\text{ }^\circ\text{C}$ amb reveniment posterior o cementació), explicant quin canvi microestructural persegueixes per compatibilitzar duresa superficial i tenacitat.

4. Fitxa de procés: Elabora amb LibreOffice o FreeCAD un full tècnic d'una pàgina que reculli el croquis acotat i la seqüència ordenada de fabricació des de la matèria primera fins a l'acabat final.

Es valorarà:

• Rigor en la justificació metal·lúrgica del tractament tèrmic o superficial proposat.

• Adequació tècnica de la seqüència de fabricació industrial seleccionada.

• Precisió en la presa de mesures reals i qualitat formal de la fitxa tècnica.