Capítulo 3

Estudio de los Muñones

3.1 Introducción

En el capítulo 2 se vio todo lo que tiene que ver con la recuperación de piezas de

forma general, puesto a esto, ahora se necesitara ahondar de manera más especifica

en el desarrollo de la recuperación de muñones. Este capítulo entregará las armas

necesarias para saber cómo tratar un muñón, en la recuperación de este y para esto

es necesario tener en cuenta, ¿qué son los ejes?, ¿qué es un muñón?, ¿de qué

material son?, la resistencia, deformación, entre otras particularidades de los

muñones.

3.2 Ejes y Arboles

.

En primera instancia es necesario asumir la definición de ejes, los ejes son

estructuras que soportan elementos de maquinas, estos pueden ser rotativos o en

reposo, como pueden ser rodamientos, poleas, ruedas dentadas, tambores etc.

Además estos soportan esfuerzos de flexión y transmiten momentos torsionales.

Los arboles a diferencia, son elementos de maquinas que giran siempre con los

elementos que soportan (poleas, ruedas dentadas, etc.) es decir que a una velocidad

de rotación determinada transmiten una potencia. Estos elementos que soportan se

fijan por medio de chavetas, ranuras estriadas o uniones forzadas. Los árboles de

transmisión descansan radialmente sobre cojinetes o rodamientos. La parte del árbol

que acoge los cojinetes se denomina muñón.

Partes de un árbol de transmisión. Estos árboles, que al transmitir potencia cuando

giran, se ven sometidos, a veces, a esfuerzos de torsión pura y casi siempre a

esfuerzos combinados de torsión y flexión. El esfuerzo de torsión se produce al

transmitir torque y la flexión debido a las fuerzas radiales que aparecen según sea la

forma como se transmite la potencia a otro árbol (mediante acoplamientos, cadenas

de transmisión, correas planas y trapeciales, por medio de engranajes, etc).

Partes de un Árbol

1. Ranura para permitir la salida de la muela de rectificado, o un tallado que requiera

diferencia de diámetros entre las secciones contiguas.

2. Muñones de apoyo para los cojinetes de rodamiento o deslizamiento. Pueden ser

cilíndricos o cónicos y generalmente son zonas endurecidas superficialmente entre

los 48 y 52 HRC. En el caso de muñones para cojinetes de rodamientos debe

tenerse en cuenta que su diámetro debe coincidir con la serie de los diámetros de

montaje de los rodamientos, usualmente múltiplos de 5.

3. Escalón de apoyo. Sirve para absorber las cargas axiales en los árboles, producto

de los elementos que se vinculan a él, y trasmitirlas a los apoyos y anclaje de las

máquinas. Otro objetivo, es el garantizar la correcta disposición axial de los

elementos en el montaje.

4. Zona de ajuste para el montaje. En caso de no estar en un extremo del árbol, se

realiza con un diámetro mayor que las secciones contiguas para permitir el montaje

de los elementos. Se recomienda un endurecimiento de la zona entre 48 y 52 HRC.

5. Zona de transición. Son superficies que suavizan los cambios de sección y

disminuyen los concentradores de tensión. Suelen ser circulares o elípticas. Es

recomendable que sean empleadas superficies con radios mayores al 10% del

diámetro menor de las secciones vinculadas.

6. Biseles. Se emplean para centrar las piezas durante el montaje y también para

evitar cortaduras de los operarios durante la manipulación de los árboles.

7. Chavetero.

8. Zona de centrado. Esta es una zona del árbol contigua a una zona de montaje,

con dimensiones ligeramente menores que la de montaje, para facilitar esta

operación y el centrado de los elementos

Además existen ejes con orificios longitudinales en el centro, estos se llaman ejes

huecos. Las partes de los ejes que giran en los apoyo se les denomina como

muñones, los ejes cortos, son denominados como ejes bulones.

En términos generales, para el estudio que nosotros queremos llevar, los ejes son

construidos por aceros de distintos tipos de aleaciones, el uso de aceros aleados son

utilizados cuando estos estén sometidos en diversos tipos de agentes extraños,

estos pueden ser, esfuerzos oscilantes, estos son solamente ventajosos solo cuando

no existan esfuerzos de entalladura ya que los aceros de alta resistencia son

sumamente sensible a ese tipo de esfuerzo, también va a depender del tipo de

ambiente que tenga, por la corrosión y oxidación.

Los ejes son fabricados mediante la mecanización con arranque viruta hasta llegar el

punto necesitado, luego los escalones y muñones son terminados, según las

exigencias, mediante, tornos de precisión, rectificado, pulido a presión o lapeado

(mecanizado entre dos superficies con un abrasivo de grano fino). Cuando las

exigencias son mayores en relación a esfuerzos elevados, estos pueden recibir un

temple superficial, de esta manera aumentar la dureza en su superficie de contacto y

si es necesario un superacabado.

Los ejes huecos de agujeros de diámetro 0.5d, pesan un 25% menos que un eje

macizos, pero sin embargo, estos aprovechan un 95% de momento resistente

(Magnitud geométrica que caracteriza a un sólido sometido a flexión). Para mayor

estabilidad, cuando este, esté sometida a más de 150 rpm, este eje deberá ser un

eje macizo, tener apoyos fijos y equilibrados.

Para evitar los desplazamientos axiales, deben fijarse mediante escalones (tope

lateral en el cojinete), anillos de retención o anillos de seguridad.

Eje hueco

Eje macizo

Para confección de ejes y árboles, en la mayoría de los casos, en nuestro país se

prefieren aceros según norma SAE. De tal manera que preferentemente se usan los

siguientes aceros:

SAE 1010 Y SAE 1020 para árboles poco cargados o de uso esporádico donde sea

deseable un bajo costo de fabricación o cuando algunas partes de los elementos

deban ser endurecidas mediante cementación.

SAE 1045 es el acero para árboles más corrientemente usado, pues el mayor

contenido de carbono le otorga una mayor dureza, mayor resistencia mecánica y un

costo moderado. No obstante lo anterior, cuando este acero se endurece por

templado sufre deformaciones y baja su resistencia a la fatiga.

SAE 4140 es un acero al cromo molibdeno bonificado de alta resistencia que se

emplea en ejes muy cargados y en donde se requiere alta resistencia mecánica.

SAE 4340 es un acero al cromo níquel molibdeno bonificado de máxima tenacidad,

resistencia a la tracción y torsión que se aplica a los cálculos para el diseño de

árboles.

DIN St 50 o DIN St 60 son también aceros ordinarios con 500 N/mm2 y 600 N/mm2

respectivamente, que se emplean cuando los ejes o los árboles quedan sometidos a

mayores solicitaciones.

DIN I5Cr3 acero de cementación de baja aleación que se usa especialmente para

árboles de cajas de cambio de automotrices, con una resistencia a la ruptura en

tracción entre 600 y 850 N/mm2.

DIN 15CrNi6, acero aleado de cementación con resistencia a la ruptura en tracción

entre 900 y 1200 N/mm2, usado en la confección de árboles de cajas de cambio

fuertemente solicitados.

3.3 Muñones

Muñón diámetro d

Muñones o también conocidos como por gorrones, espiras o salientes cilíndricos, son

sólidos de revolución cilíndricos, cónicos o esféricos, situados en los ejes.

Dentro de los muñones tenemos los que están en constante movimiento rotatorio,

estos son los muñones de marcha, también existen aquellos muñones que

permanecen en reposo dentro de los cojinetes, pieza o conjunto sobre la que soporta

el árbol de transmisión, estos son los muñones de reposo.

Los muñones son los puntos de apoyo de los elemento de máquina, donde la mayor

fuerza de trabajo es recibida por estos, además estos muñones se pueden clasificar

por el sentido de sus fuerzas principales respecto al eje del muñón, estos son

Muñones Portantes y Muñones de Apoyo.

Fig1

Fuerzas sometidas en un muñón.

Donde:

Fr, fuerza radial

Fa, Fuerza axial

Muñones portantes

En esta la carga actúa perpendicularmente a su sentido longitudinal (fuerza radial, Fr,

fig1). Cuando están situados en el extremo de un eje, se llaman Muñones Frontales,

Si van en el centro de un tramo, Muñones de cuello.

En general, los resaltes o escalones, que pueden absorber pequeñas fuerzas

axiales, sirven como elementos de seguridad de la posición axial. La altura de los

resaltes ha de ser como mínimo a = 0,1 d y el ancho b = 0,1- 0.15 d, donde d es el

diámetro. En lugar de resaltes pueden calarse también anillos o, en el caso de

esfuerzos moderados, montarse anillos de ajuste.

Los Muñones esféricos posibilitan la movilidad angular del eje; sin embargo, a causa

de sus desfavorables condiciones de rozamiento, son menos apropiados que los

gorrones de marcha.

Por motivos técnicos de fabricación o de limitaciones de material resulta ventajoso,

con frecuencia, utilizar muñones sueltos atornillados o fijados a presión, como en el

caso de los gorrones para cigüeñales.

Muñón portante, diámetro d, de un cigüeñal

Muñones de apoyo

Los muñones de apoyo soportan los esfuerzos axiales de los ejes (fuerza axial Fa,

fig1), sirviendo de asiento a estos elementos. Para presiones reducidas son

adecuados los Muñones de asiento total. Puesto que la velocidad de deslizamiento

en la periferia es máxima, siendo nula en el centro, estas piezas se desgastan

desigualmente y no permanecen planas. Teóricamente, la presión superficial en el

centro crece hasta un valor infinitamente grande, lo que produce dificultades en el

engrase de esta. Con los Muñones de asiento anular se evita notablemente esta

desventaja. Es conveniente utilizar gorrones templados que marchen contra placas

de apoyo templadas o de hierro fundido. Las placas de apoyo de forma lenticular, se

ajustan por si misma a la superficie de marcha. Los gorrones esféricos, se ajustan

también automáticamente, pero no son apropiados como gorrones de marcha a

causa de las condiciones de rozamiento desfavorables que concurren en ellos.

3.4 Resistencia

Para el cálculo de resistencia de un árbol o eje es necesario calcular los momentos

de flexión y de torsión en las secciones del árbol. Por tal motivo, debe ser

confeccionado un esquema del árbol que permita su análisis como una viga montada

sobre apoyos, donde estos se disponen de forma aproximada a la prevista para el

diseño final. Deben ser ubicadas convenientemente las cargas generadas por los

elementos que el árbol debe soportar y de aquellos que se vinculan a él. En muchos

casos, se puede despreciar la influencia del propio peso de los elementos, como

también la magnitud del momento de las fuerzas de fricción en los cojinetes.

Generalmente la forma de la distribución de la carga por las superficies portantes y

de apoyo con frecuencia es desconocida, por lo que la carga calculada puede

suponerse uniformemente distribuida o, mucho más cómodo, a menudo concentrada.

En caso de que se desee, durante el cálculo de los momentos flectores, precisar la

ubicación de los apoyos en los árboles y ejes pueden servir como referencia los

siguientes esquemas:

El punto de apoyo de un muñón con ancho b, seria

b/2.

El punto de apoyo de un muñón con rodamientos

dobles seria 0.33 veces la distancia entre centros de

los elementos rotativos.

En el caso de cojinetes de desplazamiento va

entre 0.25 y 0.3 veces el largo del cojinete.

Las cargas a los árboles y ejes se trasmiten a través de las piezas montadas en

estos, como son las ruedas dentadas, rodamientos, las poleas, sprockets,

acoplamientos, etc. En caso de cálculos sin exigencia de gran precisión, se adopta

que las piezas acopladas con el árbol trasmiten las fuerzas y momentos exactamente

en la mitad de la longitud del encaje. Para casos con mayor exigencia de exactitud,

conviene tomarlas fuerzas y momentos aplicados cercanos a los bordes de la zona

de encaje según se muestra en la figura 3, tomándose los mayores valores para los

montajes con interferencia y cubos rígidos y los menores valores para los ajustes

deslizantes con cubos flexibles.

Figura3.

Diagrama de cálculos de

Eje y arboles consideran-

do las cargas transmiti-

das desde las piezas

acopladas a ellos

.

El esquema confeccionado posibilitará determinar las magnitudes de los momentos

flectores y torsores indispensables para la aplicación del criterio de resistencia

mecánica. Cuando sobre el árbol actúan cargas en distintos planos, estas se

descomponen en dos planos mutuamente perpendiculares, generalmente conocidos

como planos FX y FY, en los cuales son determinados los momentos flectores Mx y

My. Con el objetivo de hallar el momento resultante, los momentos de flexión en los

planos mutuamente perpendiculares se suman vectorialmente como:

Mf=√M x2+My2

Para calcular las tensiones de flexión y torsión hace falta conocer el momento

resistente a la flexión, WB, y el momento resistente a la torsión WT, de la sección

transversal.

3.5 Deformación

Deformación por esfuerzo de flexión

Los ejes producto a cargas y fuerzas (fig.4,F1 y F2) sometidas sufren fuerzas de

flexión.

Con frecuencia, los ejes largos y delgados pueden ser suficientemente fuertes, sin

embargo se deforman en el funcionamiento, ocasionando por ejemplo, diferencias en

el engrane de mecanismos de ruedas dentadas o recalentamientos por la presión en

los bordes de los cojinetes.

Por eso, en casos críticos, debe calcularse la flexión y la oblicuidad de los muñones.

Fig.4 fuerzas de flexión f y torsión T, donde Ra

y Rb, son puntos de apoyo

Deformación por esfuerzos de torsión

El momento de torsión determina el giro de las secciones transversales. Los ejes

largos, por ejemplo, los empleados en transmisiones, se deforman ya

considerablemente con un momento de torsión relativamente pequeño. Esta

deformación produce, debido a la elasticidad del eje, movimientos torsionales

pendulares perjudiciales en las piezas montadas en el eje. Por eso el ángulo de

torsión se limita hasta un valor de 0.25°/m

3.6 Velocidad Crítica.

Velocidad Crítica flexión.

Los ejes son resortes elásticos a flexión, que están unidos a las masas de las piezas

montadas en ellos. Al recibir el impulso de una fuerza, efectúan oscilaciones propias

amortiguadas. En su giro, actúan impulsos de fuerza centrífuga, periódicos,

consecuentes con el número de revoluciones, ya que el centro de gravedad de las

masas giratorias no coincide exactamente con el punto de gravedad teórico, debido a

las inevitables tolerancias de fabricación. Entonces, si la velocidad de servicio 

alcanza por casualidad el valor de la frecuencia propia de oscilación del sistema de

oscilación del eje, se produce la resonancia. Con una marcha irregular, el eje oscila

cada vez más hasta llegar a su rotura. La velocidad de resonancia se llama velocidad

crítica de flexión. Cuando la velocidad crítica de flexión sea más pequeña que el

número de revoluciones n del servicio hay que procurar sobrepasar deprisa el punto

peligroso, mediante un rápido arranque de las máquinas. Los ejes delgados y largos

tienen una velocidad crítica de flexión baja, alcanzando mayor valor en los cortos y

gruesos.

La velocidad crítica de flexión es independiente de la posición ulterior horizontal,

vertical o inclinada del eje. Puesto que la masa propia del eje no interviene en el

cálculo, la velocidad crítica de flexión calculada queda un poco por encima de la

velocidad real. La diferencia aumenta en la proporción en que lo hace la flexión

propia. Por eso, un sistema de eje debe dimensionarse de tal forma que su velocidad

crítica calculada, quede con suficiente seguridad por encima o por debajo del número

de revoluciones de servicio n. Para los sistemas con ejes pesados cargados con

elementos de máquinas ligeros, se obtienen valores más exactos de velocidad crítica

de flexión si se añaden las fuerzas debidas al peso propio de los tramos parciales

como fuerzas aisladas en sus correspondientes puntos de gravedad. Pero esto

tampoco es completamente exacto, puesto que los tramos representan fuerzas

debidas al peso del recorrido

Velocidad crítica de torsión.

Puesto que un eje actúa simultáneamente como un resorte de barra redonda, efectúa

oscilaciones torsionales amortiguadas (movimientos pendulares torsionales), junto

con las masas que lleva montadas, cuando es impulsado por un momento de giro. Si

el eje recibe estos impulsos cuando ya está girando, como ocurre, por ejemplo, en

los cigüeñales de las máquinas de émbolos, se produce también la resonancia con

las oscilaciones torsionales cuando la velocidad de servicio coincide con la

frecuencia propia del sistema oscilante. Esta velocidad crítica de torsión es tan

peligrosa como la velocidad crítica de flexión. Sin embargo, los impulsos del

momento de torsión se producen solamente en casos especiales.

Para un eje simplemente apoyado en sus extremos, se calcula mediante la

expresión:

Siendo:

W c=√ 5 g4σWc = velocidad angular crítica.

σ= deformación del eje producida por una carga uniformemente distribuida igual a su

peso propio por unidad de longitud.

Para un eje simplemente apoyado que lleva una masa mucho mayor que la del

propio eje, se calcula mediante la expresión:

W c=√ gσ

Donde

σ= deformación estática producida por una fuerza P

Para un eje de masa despreciable con varias masas unidas a él, la velocidad angular

crítica se calcula mediante la ecuación de Rayleygh-Ritz:

WC=√ g∑i=1N

Piσ i

∑1

N

P iσ i

Para obtener esta ecuación se iguala la energía cinética de rotación de las masas

con la energía de deformación del eje:

Capitulo 4

4.1 Objetivo

El propósito de este documento, es definir la metodología, para la recuperación de

muñones, mediante a un proceso eficiente y bajo estándares definidas.

4.2 Alcance

El procedimiento será utilizado para todas las actividades que conlleva el proceso de

recuperación de muñones, en Maestranza Diesel.

4.3 Responsabilidades

Jefe de unidad de mantenimiento: Responsable de asegurar que este proceso se

ejecute a cabalidad.

Supervisor mecánico: Responsable de velar por la buena ejecución de las

actividades descritas en el procedimiento.

Mecánicos y operadores: Responsables de ejecutar las tareas definidas en el

procedimiento.

4.4 Procedimiento

4.4.1 Recepción de la unidad:

Se procede a la recepción del muñón, con motivos de recuperar dicha unidad,

mediante a maniobras de izaje, dependiendo de las características y dimensiones, se

posiciona en las respectivos rodillos de soporte, logrando sostener la unidad para

posteriormente efectuar la inspección visual, limpieza de residuos y control

dimensional.

Inspección visual.

Se efectúa una inspección visual general del eje con la finalidad de obtener

información referente a características del polín mediante a registros fotográficos,

estos son: longitud, diámetro del manto, escalones del eje, etc.-

Limpieza de residuos

Visualización de grietas y rayaduras a

simple vista

Se efectúa limpieza mecánica y química de la unidad, proveniente de la empresa

origen, mediante elementos tales como: solventes, paños, grata o algún otro

componente necesario para en condiciones óptimas para efectuar el siguiente paso.

Nota: Uso correcto y seguro de elementos de izaje y limpieza.

Riesgos inherentes: Aplastamiento, golpes contra objetos contundentes, proyección

de partículas a los ojos.

Responsabilidad: se debe considerar que el izaje es responsabilidad del supervisor

mecánico, además de la inspección visual y la limpieza será responsable de la

limpieza.

Control Dimensional

Se realizan las respectivas mediciones para poder lograr un mejor conocimiento de

las características externas y visuales de la pieza, mediante análisis diametrales y

longitudinales.

El registro dimensional diametral, se efectuara con un micrómetro de exteriores, con

referencia al chavetero, de la siguiente forma:

0 – 100mm de diámetro se realizaran en 3 posiciones de 0°, 60°, 120°.

100 - 200mm de diámetro se realizaran en 4 posiciones de 0°, 45°, 90°, 135°.

El registro dimensional longitudinal, se determinara mediante un flexometro.

0 - 100mm, se realizaran 3 mediciones.

100 - 200mm se realizaran 4 mediciones.

Nota: Se debe puntualizar la presencia de ralladuras, desgarramiento y

desprendimientos de material, apreciables visualmente.

Responsable: Laboratorio Control de Calidad.

Clasificación y detección de Materiales:

La detección y clasificación de aquellos materiales incluidos en el proceso, se

realizaran mediante ensayos de retroceso, los equipos a utilizar son: durómetros

Equotip (se recomienza efectuar al menos 3 mediciones), durómetro Time TH – 130.

Una vez obtenido los valores del durómetro, se puede estimar la calidad del material

y sugerir una norma de procedencia. A continuación se mostrara una tabla

referencial para la estimación:

Tabla para clasificar materiales.

TABLA PARA CLASIFICAR MATERIALES

POR MEDIO DE MEDICION DE DUREZA.MATERIAL DUREZA DE

SUMINISTRO

DUREZA CON

TRAT. TERMICO

OBSERVACIONES

SAE 1010 100 – 130 HBCEMENTACION

60HRc

SAE 1020 135 – 160 HBCEMENTACION 60

HRc

SAE 1045 170 – 200 HB TEMPLE 58 HRc

T1 321 – 351 HBCEMENTADO

60HRc

A-36 120 – 150 HBCEMENTADO

60HRc

A-42 165 – 195 HBCEMENTADO

60HRc

SAE 4140 228 – 304 HB TEMPLE 56 HRc CNB

SAE 4340 257 – 314 HB TEMPLE 56 HRc CNB

SAE 3115 150 – 210 HBCEMENTADO

60HRcCNC

SAE 3310 160 – 216 HBCEMENTADO

62HRcCNC

AISI 304 130 – 180 HB NO TEMPLABLE

INOX.

AUSTENITICO, NO

MAGNETICO

AISI 316 – 316L 130 – 180 HB NO TEMPLABLE

INOX.

AUSTENITICO, NO

MAGNETICO

AISI 420 180 – 275 HB TEMPLE 58HRc

INOX.

MARTENSITICO,

MAGNETICO

AISI 440 200 – 275 HB TEMPLE 60 HRc

INOX.

MARTENSITICO,

MAGNETICO

SAE 4140 REBONIFICADOTEMPLE 25 – 56

HRc> 40HRc

SAE 4340 REBONIFICADOTEMPLE 25 – 56

HRc

LE CONFIERE

FRAGILIDAD

NOTA: LOS VALORES ANTERIORES DEPENDEN EN GRAN MEDIDA DE LA CALIDAD DEL MATERIAL DE SUMINISTRO Y DEL TRATAMIENTO TERMICO REALIZADO. COMO REGLA PRACTICA, LA MEDIDA DE DUREZA EN BRINELL / 3 NOS DARA LA RESISTENCIA A LA TRACCION EN kg/mm2.-

END

Tintas penetrantes

Se realizan inspecciones de tintas penetrantes, para detectar fisuras externas con un

líquido de baja viscosidad y color vistoso. Una vez que el líquido que ha penetrado

en la posible fisura, se limpia la superficie a valorar, y se aplica un revelador para

extraer el líquido retenido en la fisura y con el paso del tiempo fluya hacia afuera

cuando existe.

Para una detección de grietas y fisuras más rápida que la anterior se utiliza partículas

magnéticas.

Selección del proceso

Este es la fase más importante del proceso ya que nos determina el costo y el tiempo

utilizado en el proceso. Para esta selección nos basaremos en el desgate de la

pieza, la geometría (longitud y diámetro del muñón), presencia de grietas, rayaduras

y desgarramiento de material. Con el fin de determinar qué nivel de daño tiene el

muñón.

Parámetros de daños para determinar el proceso de recuperación de acuerdo a las

características de cada uno de estos. Se aplicaran por descarte en el siguiente

orden: acerado electrolítico, metalizado en frío y soldadura.

- Se utilizará proceso de acerado electrolítico en desgaste de 0.4mm a 0.7mm,

y que no presente grietas ni rayaduras.

- Se utilizará el metalizado en frio cuando los ejes sean de una longitud

considerable, ya que son propensos a la deformación, es un método más

rápido para la recuperación de piezas, los métodos convencionales de

soldadura tienden a dañar o a modificar el material base gracias a las altas

temperaturas que se utilizan en el proceso. Mediante la temperatura que

alcanza con la soldadura tiende a la flexión, y el metalizado en frio alcanza

alrededor de 150°C.

- Como último recurso, para desgastes mayores a 0,7mm se utilizará el aporte a

través de soldadura SMAW (arco manual). Este proceso es menos fino ya

que la pieza se podría ver afectada metalograficamente por la temperatura

requerida para este proceso. Es por ello que se necesita personal capacitado

para efectuar dicho proceso.

Desarrollo de los procesos.-

1. Proceso acerado electrolítico.

Se envía a empresa externa (OHB)

2. Metalizado en frío.

Material Soldadura Tratamiento térmico previo

Tratamiento térmico posterior

SAE1010SAE1020SAE1045SAE4140SAE4340DIN St 50-DIN St 60

DIN I5Cr3DIN 15CrNi6