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Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Profesional Azcapotzalco. Fabricación de volante de dirección para automóvil (Custom Car). Tesis que para obtener el Titulo de Ingeniero Mecánico Presentan: Antonio Israel Amescua Medina Domínguez Arias Juan Alberto. Juárez Lima Víctor Daniel. Asesores: Ing. José Luís Anguiano Gamiño. Ing. José Luís Cornejo Castañeda. Distrito Federal, México. Mayo de 2008. Agradecimientos. "El agradecimiento es la memoria del corazón." Lao Tse Primeramente gracias a Dios por la vida y la salud que me ha brindado hasta este día, de manera que, gracias a eso, el día de hoy puedo culminar el esfuerzo de más de 15 años de estudio. Agradezco a mi madre, Marcela Medina, por su apoyo incondicional, comprensión y ayuda a lo largo de toda mi vida, si ti esto no hubiera sido posible. A mi bisabuelo Jorge, que en paz descanse y a mi bisabuela Ester, son un ejemplo intachable y un modelo a seguir. Abuelito te agradezco tus infinitas atenciones no solo hacia mí, sino hacia toda mi familia. Si ti este logro no hubiera sido posible. A mis hermanos Abel, Andrés y Alemet, por su buena compañía y por todos los momentos gratos que hemos pasado. A mi padre Antonio Amescua, por alentarme a seguir adelante no importando lo difícil que sean las adversidades. A mi tío Alfredo por animarme a ser una mejor persona en todos los aspectos de mi vida. A mi familia en general por su apoyo, gracias por creer en mí, este logro también es suyo. A mi amigo y hermano Cesar Cruz quien me ha apoyado en todo momento y ha estado conmigo en las buenas y en las malas. A mis asesores, el Ing. José Luís Anguiano Gamiño y al Ing. José Luís Cornejo Castañeda, por sus sugerencias, correcciones y ayuda constante durante el tiempo en el que se realizo este trabajo. Antonio Israel Amescua Medina. Dedicatorias: A cada uno de los integrantes de mi familia, a mis amigos, compañeros, maestros, asesores y a cada una de las personas que han afectado mi vida de una manera positiva. Como lo mencione anteriormente, esto no lo hubiera logrado sin su ayuda, este trabajo es de ustedes y para ustedes. Antonio Israel Amescua Medina. AGRADECIMIENTOS. Esta tesis esta dedicada a mis padres, a quienes agradezco de todo corazón por su amor, cariño y comprensión. En todo momento los llevo conmigo. Agradezco a mi familia por la compañía y el apoyo que me brindan, se que cuento con ellos siempre. Agradezco a dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones. Agradezco haber encontrado el amor, y compartir mi existencia con ella. Agradezco a los amigos por su confianza y lealtad. Agradezco a mi país por que espera lo mejor de mi. Agradezco a mis maestros por su disposición y ayuda brindadas. Domínguez Arias Juan Alberto Índice. Capitulo 1. Generalidades de volantes de Dirección………….………….….…………1 1.1 Definición de volante………………………………………..…….………....1 1.2 Objetivo……………………………………………………..…….………….2 1.3 Justificación………………………………………………..……….……...…2 1.4 Ventajas y desventajas…………………………………..………….………...2 1.5 Tipos de volante………………………………………..…………….……….3 Capitulo 2. Fabricación…………………………………………..……………….….…..5 2.1 Material y maquinaria………………………………..……………….………5 2.2 Propiedades del Acero Inoxidable…………………..……………….…….....9 2.3 Aplicaciones del Acero Inoxidable………………..………………….……....9 2.4 Tipos de Acero Inoxidable…………………………………………………...10 2.5 Técnicas para la eliminación de defectos superficiales en el Acero Inox…....15 2.5.1 Naturaleza de la Superficie del Acero Inoxidable………………………….16 2.6 Sugerencias y especificaciones para el correcto tratamiento y maquinado de Acero Inoxidable……………………………………………………………………..…17 2.7 Consideraciones especiales para planchas, tunos y productos de fundición…17 2.8 Composición Química de los Aceros Inoxidables…………………………...18 2.9 Proceso de Fabricación dentro de volante……………………………………20 2.9.1 Pantografía………………………………………………………………....20 2.9.2 Características técnicas de los pantógrafos en general…………………….22 2.9.3 Pantógrafo CNC……………………………………………………………23 2.10 Proceso de fabricación del aro del volante (alma)………………………….26 2.10.1 Proceso de Rolado………………………………………………………...26 2.11 Soldadura……………………………………………………………………28 2.11.1 Tipos de Soldadura………………………………………………………..29 2.11.2 Gases Para soldadura TIG………………………………………………...30 2.12 Terminado del volante………………………………………………………32 2.12.1 Pulido……………………………………………………………………..33 2.12.2 Pulido de metales…………………………………………………………33 Capitulo 3. Momento torsionante………………………………………….…………….35 3.1 Torsión……………………………………………………………………….35 3.2 Torque………………………………………………………………………..35 3.2 Cálculos de momento torsionante……………………………………………36 Capitulo 4. Alternativas en el proceso de producción………..…………………….…..38 4.1 Fundamento de Fundición…………………………………………………….38 4.2 Tecnología de fundición……………………………………………………....39 4.3 Modelos de fundición………………………………………………………....41 4.3.1 Tolerancias en el modelo de fundición………………………………….….42 4.4 Calentamiento y vaciado……………………………………….……………..42 4.4.1 Calentamiento del metal……………………………………….……………42 4.4.2 Vaciado del metal fundido…………………………………………………43 4.5 Análisis ingenieril del vaciado………………………………………………..44 4.5.1 Ley de la continuidad durante el vaciado………………….………………..45 4.5.2 Tiempo requerido para llenar una cavidad (v)………….…………………..46 4.6 Fluidez…………………………………………………….…………………..47 4.7 Solidificación y enfriamiento…………………………….…………………...48 4.7.1 Solidificación de los metales…………………………….………………….48 4.7.2 Tiempo de solidificación……………………………………………………52 4.8 Contracción…………………………………………………………………..53 4.9 Solidificación direccional……………………………………………….……55 4.10 Procesos de fundición de metales………………………………………...…56 4.10.1 Fundición en arena………………………………………………………...57 4.11 Modelos y corazones……………………………………………...…………58 4.12 Moldes y fabricación de moldes………………………………………...…..60 Conclusión…………...………………………………………………………………….....63 Glosario………………...………………………………………………………………….64 Referencias……………...…………………………………………………………………67 Índice de imágenes. Imagen 1.1 Evolución del volante a través del tiempo…………………………………….1 Imagen 1.2 Diseño de volante para custom car #1 …………….…………………….……..3 Imagen 1.3 Diseño de volante para custom car #2………………………………………….4 Imagen 2.1 Placa acero inoxidable 14´´ x 1/8´´ Espesor……………………………………5 Imagen 2.2 Tubo acero inoxidable calibre 14……………………………………...............5 Imagen 2.3 Capacidades de doblez de una maquina dobladora……………………………5 Imagen 2.4 Diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar…………………….……..6 Imagen 2.5 Longitud de arco……………………………………………………………….6 Imagen 2.6 Radio compuesto………………………………………………………………7 Imagen 2.7 Arco de 180 y de 90 grados……………………………………………………7 Imagen 2.8 Arco bueno………………………………………………………………...…..7 Imagen 2.9 Doblado en “S”………………………………………………………………...8 Imagen 2.10 Tangente……………………………………………………………………...9Imagen 2.11 Vista en corte de una superficie de acero inoxidable……………………….16 Imagen 2.12 Tabla de composición química de los aceros Inoxidables Austeníticos y Aleaciones de Níquel………………………………………………………………………19 Imagen 2.13 Ejemplo de Pantógrafo………………………………………………………21 Imagen 2.14 Ejemplo de Pantógrafo…………………………………………………...….21 Imagen 2.15 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo………………………………23 Imagen 2.16 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo…………………………...….23 Imagen 2.17 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………....23 Imagen 2.18 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………....23 Imagen 2.19 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo………………………………24 Imagen 2.20 Ejemplo de producto fabricado en pantógrafo……………………………...24 Imagen 2.21 Plantilla con dibujo del volante……………………………………………...24 Imagen 2.22 Resultado del corte de la placa con pantógrafo…………………………..….24 Imagen 2.23 Resultado del corte de la placa con pantógrafo………………………….…..25 Imagen 2.24 Resultado del corte de la placa con pantógrafo……………………………...25 Imagen 2.25 Pulido de centro de volante………………………………………………....25 Imagen 2.26 Centro de volante ya acoplado al adaptador………………………………...26 Imagen 2.27 Ejemplo de roladora (en este caso es una roladora de placa)……………….27 Imagen 2.28 Soldadura TIG………………………………………………………………30 Imagen 2.29 Soldadura MIG……………………………………………………………...30 Imagen 2.30 Forma de trabajo de soldadura TIG…………………………………………32 Imagen 2.31 Volante terminado…………………………………………………………..32 Imagen 2.32 Volante terminado…………………………………………………………..33 Imagen 3.1 Volante acoplado a una flecha de dirección (imagen para cálculo)………….36 Imagen 4.1 Dos formas de molde…………………………………………………………40 Imagen 4.2 Tabla de contracción volumétrica de algunos metales……………………….47 Imagen 4.3 Molde espiral para ensayo de la fluidez, ésta se mide por la longitud del canal espiral lleno antes de la solidificación……………………………………………………..48 Imagen 4.4 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición…………….49 Imagen 4.5 Estructura cristalina característica del un metal puro………………………...50 Imagen 4.6 (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición………..50 Imagen 4.7 Estructura cristalina característica de fundición para una aleación…………...51 Imagen 4.8 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento………………………………………………………………………………..54 Imagen 4.9 Tabla contracción térmica de metales……………………………………….55 Imagen 4.10 Enfriadores externos para alentar la solidificación…………………………56 Imagen 4.11 Fundición en arena para el cuerpo de un compresor………………………..57 Imagen 4.12 Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena……………..57 Imagen 4.13 Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena………………………59 Imagen 4.14 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna (d) manufactura del corazón.…………………………………………………………………..60 Imagen 4.15 Ejemplo de pasos en la producción de una pieza de fundición……………..62 Resumen. A lo largo de los dos últimos semestres estuvimos trabajando en nuestro proyecto final, gracias a las correctas intervenciones de nuestros asesores, es que hemos terminado este trabajo tan importante para cada uno de los integrantes del equipo. Creo que es importante mencionar que desde el momento en el que elegimos nuestro proyecto, imaginamos que nos enfrentaríamos a un par de problemas, pero no fue hasta que entramos a la etapa de la fabricación cuando realmente nos dimos cuenta de que el llevar una simple idea o proyecto a la realidad seria toda una odisea. Desde tener que conseguir la materia prima, que desgraciadamente y por alguna extraña razón estuvo agotada por un par de semanas, hasta encontrar los lugares adecuados para que se maquinara nuestro material, y todo esto sin olvidar los costos que la fabricación de nuestro volante ocasionó a cada uno de nosotros. Nos dimos cuenta que el hecho de fabricar un simple y sencillo volante es todo un reto y ahora entendemos que todas las experiencias pasadas, buenas y malas, tomaron parte en nuestra formación como ingenieros, la cual se ira enriqueciendo en la manera en la que enfrentemos retos aun mayores, que beneficien al sector industrial, a la nación y por sobre todas las cosas a la humanidad. En las siguientes páginas desarrollamos cada uno de los aspectos que investigamos, los pasos de la fabricación, algunos cálculos necesarios y una alternativa en la fabricación de volantes para dirección de automóvil, esperando que sea de su agrado. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 1 Capitulo 1. Generalidades de volantes de Dirección. 1.1 Definición de volante. Un volante, es el sistema de control usado en los vehículos modernos, incluyendo todos los automóviles de producción en serie. El volante es la parte del sistema de dirección que es manipulado por el conductor; el resto del sistema responde a los movimientos del volante. Esto puede ser a través de un contacto mecánico directo entre cremallera y piñón o con ayuda de dirección asistida (dirección hidráulica). Un conductor puede tener sus manos en el volante por horas, este es el motivo por el cual los volantes de dirección se diseñan ergonómicamente. Sin embargo, la preocupación más importante es que el conductor puede transportar con eficacia el esfuerzo de torsión al sistema de manejo; esto es especialmente importante en vehículos con dirección mecánica. Un diseño típico para los volantes de dirección es circular, de acero o magnesio, con el borde plastificado o recubierto de goma y encima y alrededor de él Vinyl, esto para mejorar la comodidad, o simplemente como decoración. Imagen 1.1 Evolución del volante a través del tiempo. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 2 1.2 Objetivo. Realizar un volante de dirección para automóvil, diseñado y fabricado de la manera más correcta, evitando costos altos de producción, defectos y fallas. Aplicar nuestros conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, para lograr un producto no solo bien realizado, sino estético, económico y ergonómico. 1.3 Justificación. Sabemos que dentro de la industria automotriz da frecuentemente la modificación de automóviles, esto permite la obtención de un mejor rendimiento y una apariencia mucho más estética. Lo que la gente busca al cambiar las autopartes es dar un sello distintivo al automóvil que manejan, es decir, hacerlo único. El mercado de las autopartes ha ido a la alza los últimos años, es un mercado que mueve grandes cantidades de dinero anualmente y ese es uno de los motivos por el cual decidimos tomar como proyecto la fabricación de un volante de dirección para automóvil. Seria difícil controlar el automóvil (que puede pesar entre una y dos toneladas) si el sistema de dirección no fuera tan perfecto como lo es actualmente. Cuando se da una vuelta el conductor aplica una fuerza de mas de 5 Kg. en el volante en la dirección mecánica. La dirección hidráulica reduce este esfuerzo a menos de 2.5 kg. 1.4 Ventajas y desventajas. El problema que nosotros enfrentamos es que debido a que solamente vamos a fabricar un solo volante el precio de este fue un poco elevado, ya que como sabemos al producir a grandes volúmenes lo que sucede es que nuestro precio por unidad baja considerablemente.El costo final de nuestro volante de dirección para automóvil fue de unos 1,100 pesos, dentro de este costo se encuentra la materia prima, y el maquinado (es importante mencionar que al no tener a la mano la maquinaria necesaria para realizar el trabajo, se tuvo que mandar a maquinar en lugares especiales, lo que causo que el costo de nuestro volante fuera alto). Aun con el costo de maquinado alto, nuestro volante tuvo un costo relativamente bajo al hacer una comparación entre nuestro modelo y modelos que encontramos en Internet, los cuales rondaban los 200 USD. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 3 1.5 Tipo de volante. Existen varios tipos de volantes, estos están en función del tipo de conducción a la que conductor va a estar sometido y en donde también se toma en cuenta la característica del automóvil. Debido a que el volante que vamos a fabricar va a ser donado al proyecto Custom Car, proyecto que esta siendo desarrollado por un compañero de clases, decidimos hacer dos diferentes diseños que van mas acorde con el tipo de auto y modificaciones que se le están aplicando. Imagen 1.2 Diseño 1. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 4 Imagen 1.3 Diseño 2. Después de platicar con nuestro compañero del proyecto Custom Car decidimos que el volante que quedaría mejor para lo que es el aspecto estético del auto es el Diseño 1, esto tomando en cuenta las modificaciones en los interiores de Ford en el cual se estaba trabajando y al cual seria donado el volante que nosotros fabricaríamos. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 5 Capitulo 2. Fabricación. 2.1 Material y Maquinaria. Una vez elegido el diseño a fabricar consideramos que una manera mas barata y posiblemente mas correcta de hacer nuestro volante es haciendo nuestro aro por medio de una barra de acero inoxidable (304) calibre 14 (tubin, material especial para rolado) la cual será rolada y soldada cuidadosamente (argón). Después de ser soldada se le dará un recubrimiento y un acabado espejo para que la soldadura sea lo menos visible. Nuestra parte central, es decir, el centro y los brazos del volante van a ser cortados de una sola pieza por un pantógrafo de una placa de acero inoxidable de 1/8” de espesor. A su vez el centro-brazos del volante va a ser soldado al aro cuidadosamente con la misma técnica antes utilizada para soldar el aro (argón). Imagen 2.1 Imagen 2.2 Placa acero inoxidable 14´´ x 1/8´´ Espesor. Tubo acero inoxidable calibre 14. En la tabla inferior nos podemos dar cuenta de las diferentes capacidades de doblez de las maquinas dobladoras. Imagen 2.3 Capacidades de doblez de una maquina dobladora. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 6 En la siguiente tabla podemos observar los diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar. Imagen 2.4 Diferentes tipos de estructuras que se pueden rolar. A continuación mencionamos algunos términos industriales para el doblado de acero, estos pueden ser útiles a la hora de necesitar la realización de algún tipo de doblez. Términos de la industria del doblado de acero Arco- Porción del material que está curvada o doblada. Longitud del Arco- Longitud de la porción del material que está curvada o doblada al radio requerido. Imagen 2.5 Longitud de arco. Cordón- Un segmento de línea que une dos puntos sobre una curva. En nuestro caso, de un extremo del arco al otro extremo del arco. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 7 RLC- Radio de la línea central de la forma laminada. Doblado compuesto- Véase Radio Compuesto. Radio compuesto- Más de un radio. Imagen 2.6 Radio compuesto. Grado- Indica el tamaño de la escalera de caracol. Grados (del arco)- Porción de un círculo, indicado en grados. Por ejemplo: Imagen 2.7 Arco de 180 y de 90 grados. Tangente igual- Cuando la porción recta de cada extremo de un arco son iguales. Arco bueno- La porción curvada del material que está doblado al radio requerido. Imagen 2.8 Arco bueno. Formado en caliente- Se forma el material caliente alrededor de un dado. Algunas aplicaciones no permiten el uso del calor. El formado por calor permite doblados cerrados que son de otra manera imposible. RI- Radio interior de la forma laminada. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 8 Descansillo- Plataforma intermedia de una escalera o el área en la parte superior o inferior de una escalera. Pierna- Lado de una sección transversal que no está hueco. Doblado por Mandril- Material frío se forma alrededor de un dado con el uso de un mandril. Limitado a doblados de 180 grados. El doblado por Mandril puede doblar secciones huecas muy cerradas. Tangente mínima- Porción recta mínima requerida al extremo de un arco. Ovalización- Distorsión de una tubería o de un tubo redondo de su forma redonda normal a una forma oval. Ocurre en el proceso del laminado. RE- Radio exterior de una forma laminada. Radio del plano- Radio en un escalón espiral que está a nivel del piso. Pendiente- Indica el ángulo de elevación de un escalón espiral. Radio- Distancia del centro de un círculo a cualquier punto sobre su circunferencia. Ondulación- Distorsión causada por el laminado. RPD- "Roll per drawing" - Laminados siguiendo instrucciones gráficas. Laminado- El material frío pasa por máquinas que utilicen tres dados de laminado. El laminado no puede doblar tan cerrado como algunas otras técnicas. Permite doblados de 360 grados. Doblado en S- Un radio compuesto donde uno de los radios está opuesto al otro. Imagen 2.9 Doblado en “S”. Escalera de caracol- Una escalera que está curvada o una escalera en espiral. Tangente- Porción recta al extremo de un arco FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 9 Imagen 2.10 Tangente. Elevación total (peralte)- Distancia de un piso al otro en un escalón espiral. Radio verdadero- Radio de un escalón espiral donde el escalón sube. Arriba, en el sentido de las manecillas del reloj/Arriba, contrario al sentido de las manecillas del reloj- Dirección de la elevación de un escalón espiral. Tabique o Pared- Lado de una sección transversal hueca. 2.2 Propiedades del Acero inoxidable 304. ¿Por qué elegimos este material? El acero inoxidable es un tipo de acero resistente a la corrosión, dado que el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. A pesar de ser sumamente delgada ésta película invisible fuertemente adherida al metal, lo protege contra los distintos tipos de corrosión, renovándose inmediatamente cuando es dañada por abrasión, corte, maquinado, etc. Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas.Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno. Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. 2.3 Aplicaciones del Acero Inoxidable. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos: En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 10 En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones. En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y petroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos. Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados: Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar. Automóviles: especialmente tubos de escape. Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material). Industria: alimentación, productos químicos y petróleo. Aplicaciones del acero. Partes expuestas y no expuestas para artículos de línea blanca. Aplicaciones en maquinaria y equipo. Perfiles y tubería. Tambores y envases. Insumo para mercado de galvanizadores. Industria automotriz para partes expuestas y no expuestas. Uso industrial para piezas con embutido severo. 2.4 Tipos de Acero Inoxidable. Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos y se distinguen porque son atraídos por un imán. Con elevados porcentajes de carbono, estos aceros son templables y pueden, por tanto, endurecerse por tratamiento térmico. A estos aceros endurecidos se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 11 Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman austeníticos, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido y, por tanto, no son atraídos por un imán. Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita. Se convierten en parcialmente magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos. A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros. Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica. Serie 300- Los Aceros Inoxidables Austeníticos: Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317. Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas. Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentária, tanques, tuberías, etc. En el acero inoxidable no hay nada que se pueda pelar, ni desgastar, ni saltar o desprenderse. El acero ordinario, cuando queda expuesto a los elementos, se oxida y forma óxido de hierro polvoriento en su superficie; si esta no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero esté completamente corroído. También los aceros inoxidables se oxidan, pero en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película con un espesor típico de 8 a 10 Ángstroms (1 Ángstrom = 10-8 cm.) de óxido de cromo -que también contiene hierro y níquel- muy densa que constituye una coraza contra los ataques de la corrosión. Si por cualquier razón esta película de óxido de cromo que recubre los aceros inoxidables es eliminada, se vuelve a formar inmediatamente otra es su reemplazo al combinarse el cromo con el oxígeno de la atmósfera ambiente. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 12 El tipo de acero que nosotros elegimos es un AISI 304 y a continuación presentamos algunas características del mismo, las cuales nos ayudaron a elegir a este tipo de acero como el adecuado para la fabricación de nuestro volante de dirección. Aceros inoxidables austeníticos Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente soldabilidad. El inoxidable austenítico más popular es el Tipo 304, que contiene básicamente 18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono limitado a un máximo de 0,08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte. Es también utilizado en cubiertos, vajillas, piletas, revestimientos de ascensores y en un sin número de aplicaciones. En determinados medios, especialmente en aquellos que contienen iones cloruro, el inoxidable 304 muestra propensión a una forma de corrosión llamada corrosión por picado. Es un tipo de corrosión extraordinariamente localizada, en la cual en determinados puntos de la superficie del material, el medio agresivo consigue quebrar la película pasiva para después progresar en profundidad. El crecimiento de los picados se da en un proceso autocatalítico y aunque la pérdida de masa pueda ser a veces insignificante, esta forma de corrosión es muy insidiosa, ya que muchas veces un picado es suficiente para dejar un equipo fuera de servicio. La corrosión por rendijas, puede ser considerada como una corrosión por picado artificial. El aspecto es frecuentemente semejante al de la corrosión por picado y el proceso de crecimiento es también autocatalítico. Pero, la existencia de una rendija es necesaria para la ocurrencia del fenómeno, lo que no sucede en la corrosión por picado. Los mismos medios capaces de provocar la corrosión por picado, promueven la corrosión por rendijas en los aceros inoxidables. El molibdeno es introducido como elemento de aleación en los aceros inoxidables precisamente para disminuir la susceptibilidad a estas formas de corrosión. La presencia de molibdeno permite la formación de una capa pasiva más resistente y en casos en que el inoxidable 304 no resiste a la acción de determinados medios, corroyendo por picado o por rendijas, los inoxidables 316 y 317 constituyen una excelentesolución. Son aceros con gran utilización en las industrias químicas, de alcohol, petroquímica, de papel y celulosa, en la industria petrolífera, industrias textiles y farmacéutica. Cuando están sometidos por algún tiempo a las temperaturas entre 450 y 850 ºC, los aceros inoxidables austeníticos están sujetos a la precipitación de carburos de cromo en sus contornos de granos, lo que los torna sensibilizados. Esta precipitación abundante de carburos, la sensibilización, resulta en la disminución del tenor de cromo en las regiones vecinas a los bordes, regiones que tienen así su resistencia a la corrosión drásticamente comprometida, tornando el material susceptible a la corrosión intergranular en ciertos FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 13 medios. Las zonas térmicamente afectadas por operaciones de soldado son particularmente sensibles a esta forma de corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material es mantenido en la faja crítica de temperaturas. La consideración de este fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos extra bajo carbono, 304L, 316L y 317L, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un máximo de 0,03%, quedando así extremadamente reducida la posibilidad de sensibilización. La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema de la sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe la formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de titanio y el cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad puede ser utilizado el niobio. Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del carbono y los aceros inoxidables así obtenidos, el 321 y el 347 son conocidos como aceros inoxidables estabilizados. El inoxidable 316 Ti es la versión estabilizada del tipo 316. Para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y 900ºC, los aceros inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya que conservan mejores propiedades mecánicas en esas temperaturas que los aceros de extra bajo carbono; notoriamente la resistencia al creep. En el inoxidable 304 L (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de aleación busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la resistencia a la corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de níquel mejora también el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión. En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe gran preocupación por la corrosión intergranular, los aceros inoxidables 304H y 316H, con tenores de carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados. La precipitación de una fina red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el punto de vista de la corrosión, se torna benéfica cuando lo que interesa son las propiedades mecánicas. Aumentos considerables en los tenores de cromo y níquel permiten elevar la temperatura de formación de cascarilla (escamado) de los aceros inoxidables austeníticos. El inoxidable 304 es recomendado para trabajo al aire libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos. En las mismas condiciones, el inoxidable 310, con cromo 24/26% y níquel 19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150ºC. Es un material clasificado como acero inoxidable refractario. Grandes aumentos de níquel, llevan a las aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento con mayor presencia en el material ya no es el hierro sino el níquel, Estos materiales no son conocidos como aceros inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y presentan excelente resistencia a la corrosión en diversos medios a altas temperaturas. El elevado tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la corrosión bajo tensión. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 14 El inoxidable 304 es un material con excelente ductilidad. Para casos de estampado extra profundo, un aumento en el tenor de níquel permite mejorar todavía más la ductilidad. Con esta finalidad fue desarrollado el Tipo 305. Ligeras reducciones en el tenor de níquel disminuyen la estabilidad de la austenita, permitiendo la aparición de martensita inducida por deformación en frío, consiguiéndose así excelentes propiedades para aplicaciones estructurales. Es el Tipo 301, disponible en las versiones 1/4, 1/2, 3/4 y totalmente duro y con gran utilización en las industrias ferroviarias, de trenes metropolitanos y de carrocerías de ómnibus. El Tipo 303 resulta del aumento del tenor de azufre en el 304 con la finalidad de mejorar la maquinabilidad. La ductilidad y la resistencia a la corrosión quedan comprometidas por este aumento en la cantidad de azufre. Los aceros de la serie 200, resultan de una substitución parcial de níquel por manganeso. Son utilizados en aplicaciones estructurales, presentando resistencia a la corrosión inferior al 301. Tipo de acero inoxidable Aplicación Austenítico (resistente a la corrosión) equipos para industria química y petroquímica equipos para industria alimenticia y farmacéutica construcción civil vajillas y utensilios domésticos Ferrítico (resistente a la corrosión, más barato) Electrodomésticos (cocinas, heladeras, etc.) mostradores frigoríficos monedas industria automovilística cubiertos Martensítico (dureza elevada) cuchillería instrumentos quirúrgicos como bisturí y pinzas cuchillos de corte discos de freno FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 15 2.5 Técnicas para la eliminación de defectos superficiales en el Acero Inoxidable. TABLA DE DEFECTOS SUPERFICIALES Y TÉCNICAS PARA SU ELIMINACIÓN DEFECTO TECNICA PARA ELIMINARLO Polvo y suciedad Lavar con agua y/o detergente. Si es necesario, hacerlo con agua a presión o vapor. Inclusiones de partículas de hierro Tratar la superficie con solución de ácido nítrico al 20%. Lavar con agua limpia. Confirmar la eliminación con el test del ferroxilo. Si el hierro está aún presente, utilizar una solución de ácido nítrico y ácido fluorhídrico. Rasguños, manchas de calentamiento Pulir la superficie con un abrasivo fino. Decapar la superficie con una solución de ácido nítrico al 10% y ácido fluorhídrico al 2 % hasta eliminar todas las trazas. Lavar con agua limpia o electropulir. Áreas oxidadas Tratar la superficie con una solución de ácido nítrico. Rugosidades Pulir con un abrasivo de grano fino. Marcas de electrodos Eliminar mediante pulido con abrasivo de grano fino, o soldar encima si está en la línea de soldadura. Salpicaduras de soldadura Prevenirlas mediante la utilización de una película adhesiva a los costados del cordón de soldadura, o eliminarlas utilizando un abrasivo de grano fino. Marcas de decapante de soldadura Eliminar mediante abrasivo de grano fino. Defectos de soldadura Si es inaceptable, eliminar con amoladora y volver a soldar. Aceite y grasa Eliminar con solventes o limpiadores alcalinos. Residuos de adhesivos Eliminar con solventes o mediante pulido con abrasivo de grano fino. Pintura, tiza y crayón Lavar con agua limpia y/o limpiadores alcalinos Productos de proceso Lavar con agua limpia o vapor, o disolver mediante solvente adecuado. Depósitos coloreados Disolver con ácido nítrico, fosfórico o acético al 10-15%. Lavar con agua limpia. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 16 2.5.1 Naturaleza de la Superficiedel Acero Inoxidable. Cuando el acero inoxidable se saca del baño ácido y se enjuaga con agua en la usina siderúrgica, una fina capa de óxido adherente se forma instantáneamente. Esta capa transparente, con un espesor típico de 8 a 10 Ángstroms (1 Ángstrom = 10-8cm), está formada principalmente por óxidos de cromo y también contiene hierro y níquel. Cuando está limpia y adecuadamente formada, es bastante inerte bajo la mayoría de las condiciones. En este estado, se dice que el acero inoxidable está en estado "pasivo". Los subsiguientes tratamientos de "pasivación" son principalmente tratamientos de limpieza que no inducen la pasividad, pero reparan los defectos en la superficie y eliminan las sustancias que pueden dañar la película superficial. Esta película, aunque muy fina, es extremadamente durable y se mantiene continuamente en el aire u otro ambiente oxidante, tales como agua aereada o ácido nítrico. Cuando se produce un daño en este tipo de medio, la película se repara automáticamente. Hay muy pequeña diferencia en la composición y propiedades de la película pasiva entre los diferentes tipos de acero inoxidable, aunque ciertas adiciones a la aleación tales como molibdeno pueden estabilizar el óxido y aumentar la resistencia a la corrosión. Imagen 2.11 Vista en corte de una superficie de acero inoxidable. Limpieza de los equipos de acero inoxidable. Como se mencionó anteriormente, muchos de los defectos superficiales se introducen durante la fabricación y manejo de los materiales y equipo. A través de la insistencia en procedimientos e inspecciones adecuados, se pueden evitar muchos problemas asociados con la falta de cuidados y errores de fabricación. FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 17 2.6 Sugerencias y especificaciones para el correcto tratamiento y maquinado de Acero Inoxidable. Se sugieren las siguientes especificaciones para agregar a las órdenes de compra: 1 - Todas las superficies que estarán en contacto con los productos del proceso deberán estar libres de aceite, grasa, marcas de dedos, crayones, tintas, pinturas, cintas, y otras sustancias que contengan material orgánico. Se requerirá el test previsto por la norma ASTM A380. 2 - Todas las superficies deberán estar libres de contaminación por hierro. Se requerirán los tests del agua y del ferroxilo estipulados en la norma ASTM A380. 3 - Todas las soldaduras deberán estar libres de coloración y otras oxidaciones, salpicaduras, marcas de electrodos, decapantes y zonas manchadas por cepillado y pulido. Si la inspección visual revela estos defectos, se requerirá el tratamiento mecánico, químico y/o electroquímico adecuado. 4 - Todos los defectos de soldadura tales como penetración incompleta, fusión incompleta y rajaduras, deberán ser reparadas desbastando y volviendo a soldar. 5 - Se requerirá que todas las aberturas sean cerradas después que se hayan realizado los procedimientos de limpieza. Todas las tapas deberán permanecer en posición hasta en ensamblado final y durante el transporte. 6 - El equipamiento será inspeccionado en el establecimiento del fabricante, antes del embarque, para dar cumplimiento a los puntos 1, 2, 3, 4 y 5. 2.7 Consideraciones especiales para planchas, tunos y productos de fundición. Estos productos presentan problemas especiales cuando la calidad de la superficie es importante. Se hará un breve comentario sobre cada uno de ellos: 1 - Planchas: se considera plancha al material que tiene más de 5 mm. de espesor. Aunque se suministran normalmente laminadas en caliente y decapadas, la norma ASTM A480/A480M describe cinco terminaciones superficiales. La terminación superficial nº 4, que se produce mediante pulido con abrasivo grano 150, es adecuada para servicio sanitario. Las otras son normalmente demasiado rugosas. También pueden contener rajaduras y otros defectos que pueden ser iniciadores de procesos de corrosión. 2 - Tubos: los productos tubulares soldados con espesores de pared de 5 mm. o menos se hacen a partir de cintas. La calidad de la superficie original de estos productos normalmente es bastante brillosa y suave. La norma ASTM A270 se utiliza ampliamente cuando la FABRICACION DE VOLANTE DE DIRECCIÒN. ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 18 facilidad de limpieza es un requerimiento. Los tubos hechos de acuerdo con la ASTM A270 están disponibles con la superficie esmerilada, pulida o electropulida. Los productos tubulares hechos de acuerdo con las otras especificaciones ASTM tales como la A312/A312M, tienen la mayor de las veces la superficie decapada. Los tubos de paredes más gruesas están hechos a partir de planchas, y tienen la misma terminación superficial. Se deberá especificar una terminación nº 4 cuando se los utilice en un servicio sanitario. Cuando los productos tubulares y otros componentes estén unidos por soldadura, es esencial que las superficies interiores estén libres de coloraciones antes de que el equipo se ponga en servicio. Se puede usar un decapado cuidadosamente controlado para eliminar estos óxidos. Algunos fabricantes producen tubos con las superficies interiores electropulidas después de la soldadura. La soldadura orbital automática es una excelente técnica que produce una soldadura lisa esencialmente libre de coloración. 3 - Barras: para mejorar la maquinabilidad, muchos productos redondos de acero inoxidable se hacen con aleaciones especiales de alto contenido de azufre, tal como la AISI 303. Esto conduce a un incremento en el número de inclusiones globulares de sulfuros, que son estiradas a medida que se forma la barra. Debido a su longitud, es probable que las inclusiones no sean completamente eliminadas por el decapado, especialmente en los extremos. También las partes maquinadas a menudo no son sometidas a un decapado como tratamiento estándar. Esto puede conducir a problemas mayores, debido a que los sulfuros expuestos pueden actuar como sitios donde comienza el picado. Probablemente, la mejor práctica sea utilizar solamente las aleaciones con bajo contenido de azufre y aceptar el incremento en los costos de maquinado. 4 - Fundiciones: la mayoría de las aleaciones comunes de acero inoxidable pueden ser fundidas, y su resistencia a la corrosión es similar. La mayor diferencia en el uso de elementos fundidos es que normalmente tienen superficies más rugosas y porosas que los productos forjados. También tienen más trabajo de esmerilado y reparaciones por soldadura. Es importante que los usuarios de productos fundidos insistan en la buena calidad de las fundiciones, y demanden los mismos procedimientos de limpieza que los que se usan en el equipamiento fabricado con productos forjados. 2.8 Composición Química de los Aceros Inoxidables. (Tabla se muestra en la siguiente página) DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA Composición Química (%) de los Aceros Inoxidables Austeníticos y Aleaciones de Níquel Imagen 2.12 Tabla de composición química de los aceros Inoxidables Austeníticos y Aleaciones de Níquel. * Se acepta un contenido máximo de carbono del 0.04% para tubos trefilados. Para que se de una idea un poco mas clara de lo que nosotros queremos hacer anexamos información de lo que es patografía, pantógrafo y un par de ejemplos de lo que se puede hacer con esta valiosa maquina herramienta. GRADO 304 304L 316 316L 317 317L 321 400 825 625 C-276 DUPLEX 2205 Designación UNS S30400 S30403 S31600 S31603 S31700 S31703 S32100 N04400 N08825 N06625 N10276 S31803 CARBONO (C) max. 0.08 0.035* 0.08 0.035* 0.08 0.035* 0.08 0.30 0.05 0.10 0.02 0.03 MANGANESO(Mn) max. 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 1.00 0.50 1.00 2.00 FOSFORO (P) max. 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 ---- ---- 0.015 0.04 0.03 AZUFRE (S) max. 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.024 0.03 0.015 0.03 0.02 SILICIO (Si) max. 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.50 0.50 0.50 0.08 1.00 CROMO (Cr) max. 18.0 a 20.0 18.0 a 20.0 16.0 a 18.0 16.0 a 18.0 18.0 a 20.0 18.0 a 20.0 17.0 a 20.0 ---- 19.5 a 23.5 20.0 a 23.0 14.5 a 16.5 21.0 a 23.0 NIQUEL (Ni) 8.0 a 11.0 8.0 a 13.0 10.0 a 14.0 10.0 a 15.0 11.0 a 14.0 11.0 a 15.0 9.0 a 13.0 63.0 a 70.0 38.0 a 46.0 Balance Balance 4.5 a 6.5 MOLIBDENO (Mo) ---- ---- 2.0 a 3.0 2.0 a 3.0 3.0 a 4.0 3.0 a 4.0 ---- ---- 2.5 a 3.5 8.0 a 10.0 15.0 a 17.0 2.5 a 3.5 DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 20 2.9 Proceso de Fabricación dentro de volante. En el capitulo primero mencionamos que la forma mas adecuada de la fabricación de nuestro volante era haciendo el centro del volante con el resultado de una placa de acero inoxidable, la cual seria cortada con pantógrafo. Adelante mencionaremos que es la pantografía, características del pantógrafo y los productos que se pueden fabricar por medio de esta máquina herramienta. 2.9.1 Pantografía. La pantografía es un sistema de grabación que utiliza un instrumento que permite copiar a igual o distinta escala un dibujo o plano. Está compuesto por un troquel con una punta cortante, que suele ser de diamante, guiada por un pantógrafo, proceso que se va efectuando letra a letra o motivo a motivo. En el sector publicitario se utiliza para marcar artículos resistentes que puedan soportar la acción cortante de este sistema, como son los metales. El resultado de la pantografía es una impresión que no tiene color definido, sino que depende de la segunda capa del material grabado. Actualmente la pantografía es un sistema de grabación de alta precisión y que está computarizada. Se realiza mediante plotters controlados por ordenador. El cabezal móvil utiliza una punta de diamante o una fresa para trazar las líneas del dibujo erosionando la superficie del metal. La pantografía es una forma de impresión costosa muy adecuada para series pequeñas tales como bandejas para celebraciones, trofeos, medallas. Sin embargo ofrece grabaciones elegantes, imborrables y brillantes. Otra definición nos dice que la pantografía es una técnica de delineación que permite al delineante, utilizando un pantógrafo, reproducir un dibujo o plano con alta precisión y a una escala deseada, siempre condicionada por las dimensiones del pantógrafo utilizado. Su aplicación está vinculada a todos los sectores industriales y artísticos en los que sea necesario ampliar o reducir con precisión cualquier dibujo lineal, sea un plano o un trazado artístico. Desde el nacimiento de la Xerografía, la reproducción de planos a escala fue sustituida por las fotocopiadoras y posteriormente por las impresoras infográficas (infografía) de papel contínuo. Actualmente, los pantógrafos manuales, han sido sustituidos por programas informáticos en diferentes aplicaciones de diseño y por pantógrafos infográficos que permiten reproducir trazados a escala, con gran precisión, sin que sea necesaria la intervención repetitiva de un delineante. Hay pantógrafos infográficos con los que se trabaja sobre una superficie plana, habitualmente utilizada para cortar tanto rotulaciones de cartelería y señalización, como para el trazado de corte de tejidos, para prendas de vestir, plásticos, envases, sustituyendo a troqueladoras, con cortes realizados con cuchillas de acero, diamante o rayos láser; o pueden ser trazadores sobre cilindros, que soportan papel continuo y que una cabeza impresora o cortadora, que imprime en chorro de tinta el documento contenido en el disco del ordenador con el que se controla el equipo impresor o de corte. También existen pantógrafos 3D, nacidos del desarrollo informático con los que, los objetos dibujados en el plano, se pueden DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 21 reproducir en volumen; aunque estos nuevos instrumentos podrían ser también considerados como un "torno" con mayor capacidad de reproducción, con el que se puede reproducir, por ejemplo, una cabeza humana, a escala, tomando la información de una base de datos digital procedente de un análisis métrico realizado con un equipo explorador infográfico (escáner) y sustituyendo el trabajo de un escultor. Esta técnica se utiliza frecuentemente para el modelado de objetos o piezas; la realización de maquetas de automóviles, diseños arquitectónicos, objetos publicitarios personalizados, etc. Algunos ejemplos de pantógrafos son los siguientes: Imágenes 2.13 (arriba) y 2.14 (abajo) Ejemplos de pantógrafos. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 22 2.9.2 Características técnicas de los pantógrafos en general. - Máquina para trazar de un maestro y grabar una reproducción idéntica sobre varios tamaños y tipos de material con un resultado muy profesional - Posibilidad de grabar varios artículos como: Placas de señal, Chapas, insignias de metal, Etiquetas, efectos personales, Identificaciones, Designaciones, Ilustraciones, Clasificaciones, Símbolos, Marca registrada, Indicaciones, y otros aplicaciones sin limite - Grabación obtenido copiando de un modelo, plantilla o patrón. La plantilla puede ser letras, numerales o cualquier tipo de diseño. - El pantógrafo tiene ajusto del razón variable. Mediciones ilustradas sobre el pantógrafo para ajustar la razón requerida, que siempre es una reducción de la plantilla. - Prensa de tornillo porta trabajo auto-centrador con movimiento lateral y transversal - Las correderas para coger el maestro posicionado sobre la placa trazadora con un aparato de sujeción. Eso permita posicionar una fila o más de texto. Escalas graduadas asegura paralelismo entre las correderas para coger el maestro y prensa de tornillo porta trabajo. - El cortador corre en cojinetes precisos a velocidad apropiado para grabar sobre una gama amplia de materiales. Un aparato regulador automáticamente asegura el profundidad constante y consistente de grabación sobre un superficie plano o un poco desigual - Se puede aumentar la área cubierta por el pantógrafo con los movimientos de la prensa de tornillos y también con el movimiento de la portadora de pantógrafo por la corredera, alternativamente por mover las correderas para coger el maestro o el componente grabando. Trabajo muy grande se puede grabar sobre el modelo SG-2 porque esta maquina incorpora un pantógrafo con elevador, que puede ser posicionado como deseado. - Ofrecemos tres tipos de cortadores: 1. Cortadores de Acero Rápido para grabar sobre perspex, acrílica, plástico, latón, aluminio anodizado, madera dura, etc. 2. Cortadores de Carburo para grabar sobre material abrasivo de plástico, bakelita, hylam, formica, etc. 3. Cortadores de Diamante para grabación rayado sobre metales como Plata, Oro, Platino o sobre vidrio, etc. Los perfiles de los cortadores determina la forma de grabación y este perfil se puede hacer sobre la rectificadora de fresas - La Máquina modelo SG-1 es portátil de banco, ideal para una variedad de trabajos de grabación - La Máquina modelo SG-2 es apropiado para aplicaciones múltiples de grabación de alta precisión y también para paneles muy grandes. Esta maquina incorpora un pantógrafo con elevador para grabación de especialmente trabajo no posible sobre maquinas convencionales. Adaptado para paneles electrónicas, numeración de partes,hacer marcas sobre herramientas, perfiles especiales, cortar estarcidos, etc. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 23 2.9.3 Pantógrafo CNC. Grabado o fresado con Pantógrafo de Control numérico. Es posible realizar diferentes mecanizados sobre materiales rígidos: metales, plásticos, madera u otros materiales especiales. Se aplica sobre todo para la realización de moldes para numismática, orfebrería, inyección de plásticos, machos para electroerosión, trabajos sobre matricería, grabaciones de precisión, nonius, etc. El control numérico se conecta a un sistema informático sofisticado con el que se pueden llegar ha construir moldes o matrices, generando las geometrías con un programa informático de mecanizados o copiando la superficie mediante un palpador desde un original tallado o modelado a mano. Algunos de los productos que se pueden realizar con pantógrafo: Imagen 2.15 Imagen 2.16 Imagen 2.17 Imagen 2.18 DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 24 Imagen 2.19 Imagen 2.20 ¡ Pasando a la explicación del proceso de producción, a continuación voy a revelar algo de información acerca de la fabricación del volante de dirección, parte de la información se podrá apreciar de una manera mas clara en el video anexo que se encuentra en el disco compacto. El primer paso en el proceso de producción fue remarcar el dibujo del diseño que habíamos realizado, ya que la parte remarcada (exterior del centro de volante) iba a ser seguida por el lector e iba a continuar su trayectoria cortando según el diseño, esto se podrá observar en las siguientes imágenes. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 25 Imagen 2.21, 2.22, 2.23 y 2.24 Plantilla y producto del corte de la placa de acero inoxidable por pantógrafo Como resultado del corte por pantógrafo obtuvimos nuestra parte central del volante, a pesar de la exactitud de esta maquina tuvimos que hacer algunos ajustes debido a que había quedado una rebaba que eliminamos con una piedra de carburo. Imagen 2.25 Pulido de centro de volante. Después de la limpieza de nuestro material seguimos con la perforación del centro para poderlo atornillar a nuestro adaptador que se encuentra adecuado a la flecha de la dirección. Tuvimos que tomar en cuenta algunos datos como el grosor de los tornillos (3/16´´) y la localización exacta en la que se tenia que perforar, de tal manera que no hubiera errores a la hora de atornillar al adaptador. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 26 Imagen 2.26 Centro de volante ya acoplado al adaptador. 2.10 Proceso de fabricación del aro del volante (alma). Para la fabricación del aro de nuestro volante vamos a rolar un tubo y a soldarlo por lo que decidimos agregar información acerca del rolado y su procedimiento. 2.10.1 Proceso de Rolado. Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metálica, es necesario que el acero se presenten barras, láminas, alambres, placas, tubos, o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en hacer pasar al acero en estado pastoso por unos rodillos ubicados de tal forma que por deformación le den al material la forma deseada. El material con el que se alimentará a los rodillos deberá tener una forma mas o menos determinada, esta forma se obtiene al colar el metal en moldes, que luego será procesado, a estos productos se los denomina lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25kg hasta varias toneladas, todo dependerá del uso que se le va a dar, y por que tipo de rodillos se va a procesar. Para esta ocasión el metal debe estar en estado pastoso, de lo contrario se necesitaría de gran esfuerzo y seria difícil su procesado, por esto el metal se recalienta hasta alcanzar el estado necesario. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 27 Imagen 2.27 Ejemplo de roladora (en este caso es una roladora de placa). Diferentes tipos de rolado. Mandril para Doblar Tubos y Tubería. El doblado por Mandril usa un eje de metal, o mandril, colocado dentro del tubo o de la tubería de acero. Mientras el mandril se mueve, curva el metal alrededor de un dado de un tamaño adecuado para formar el radio. La técnica del Mandril funciona mejor cuando el tubo o la tubería de acero poseen una pared pesada y/o requiere un radio cerrado porque impide la ondulación del material. El Mandril solo puede doblar tubería de acero hasta 180 grados, pero produce una curva uniforme por todo el tubo o la tubería. Acero Doblado por Prensa. Con la técnica de la Prensa, el acero se dobla introduciendo el tubo, la tubería, el canal, la barra o la viga de acero por una prensa aplicando una presión cada 6 o 7 pulgadas hasta que se doble el material. El método por Prensa se usa para doblar vigas, tuberías, canales, barras o tubos que son más grandes y pesados (24 a 36 pulgadas y más anchos) que no necesitan un radio cerrado. Muchos de nuestros competidores no tienen esta capacidad. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 28 Esta técnica permite producir vigas de acero de soporte de carga usadas para la construcción de escuelas, gimnasios, centros comerciales y puentes. Mandamos a rolar nuestro tubo de acero inoxidable, logrando así tener listo lo que seria el aro de nuestro volante de dirección. 2.11 Soldadura. En cuento tuvimos nuestro aro rolado continuamos con el soldado del mismo, cerrándolo por medio de soldadura de argón de alta resistencia, llamada así porque se utiliza este gas para el proceso. Ya con nuestro aro perfectamente cerrado, procedimos a la soldar nuestro centro al aro, consiguiendo con esto tener casi por terminado nuestro volante La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: • Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad. • La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar. • La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico esmás pesado que la soldadura. • La soldadura no se limita al ambiente de fábrica, se puede realizar en el campo. Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas: DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 29 • La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas. • La soldadura implica el uso de energía y es peligroso. • Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble. La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión. 2.11.1 Tipos de Soldadura. La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por soldadura. Hay cinco tipos básicos de uniones: • Unión Empalmada En este tipo de unión las partes se encuentran en el mismo plano y se unen sus bordes • Unión de Esquina Las partes en este tipo de unión forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. • Unión Superpuesta Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen. • Unión en “T” Una parte es perpendicular a la otra forma de la letra “T” • Unión de Bordes La unión se hace en el borde común Soldadura por arco con gas protector En este proceso la unión se logra por el calor generado por un arco eléctrico que se genera entre un electrodo y las piezas, pero el electrodo se encuentra protegido por una copa por la que se inyecta un gas inerte como argón, helio o CO2. Con lo anterior se DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 30 genera un arco protegido contra la oxidación y además perfectamente controlado. Existen dos tipos de soldadura por arco protegido la TIG y la MIG. La soldadura TIG (tungtein inert gas) es aquella en la que el electrodo de la máquina es de tungsteno, por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado. Imagen 2.28 Soldadura TIG. La soldadura MIG (metal inert gas) es la que el electrodo es de un metal que se utiliza como metal de aporte, por lo que este sistema es considerado como un proceso de soldadura continua. Imagen 2.29 Soldadura MIG. 2.11.2 Gases Para soldadura TIG. Todos los procesos TIG precisan gases de protección inertes y reductores o mezclas de los mismos. Cualquier componente de mezcla activo (oxígeno, dióxido de carbono,...), conduciría a la interrupción del arco y un gran desgaste del electrodo, provocando inclusiones de tungsteno al charco de fusión. ARGÓN SOLDADURA. El argón es un gas noble, incoloro e inodoro que forma parte del aire atmosférico en un 0,93% vol. Tiene ante todo en Europa un papel decisivo como gas de protección. Su pureza es del 99,995%, siendo sus principales impurezas el nitrógeno, que existe en DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 31 cantidad inferior a 30ppm; el agua, con cantidades inferiores a 8ppm; y el oxígeno, con cantidades por debajo de 10ppm. El argón tiene las siguientes características para el arco voltaico: - Baja conductibilidad térmica, con lo que resulta una larga vida para los núcleos de plasma, que producen un arco voltaico estable y una mayor facilidad para encenderse de nuevo el arco, como por ejemplo, en el caso de la soldadura por corriente alterna. - Puede conseguir un núcleo del arco voltaico muy caliente, que le da bastante poder al arco. Sus características técnicas más sobresalientes son: * Masa molar: 39,95 g/mol * Punto triple: 4 - Temperatura: 83,8 K (-189,4° C) - Presión: 688mbar - Calor latente de fusión: 29,3 kJ/Kg. * Punto de ebullición a 1013 mbar: - Temperatura: 87,3 K (-185,9° C) - Calor latente ebullición: 164 kJ/Kg. * Punto crítico: - Temperatura: 150,7 K (-122,5° C) - Presión: 48,6 bar. - Densidad: 0,531 Kg./litro * Estado gaseoso a 1013 mbar y 273,15 K (0° C): - Densidad relativa al aire: 1,38 Se emplea para la soldadura de aceros inoxidables, cobre, aceros al carbono y la mayor parte de aluminios. Para la soldadura por procedimiento TIG del titanio, tántalo, circonio y unos pocos aluminios, es imprescindible el uso de argón puro. Soldando aluminio, los electrodos deben ser de tungsteno puro, mientras que para el resto de metales, deben estar aleados con 1, 2 ó 3% de torio. Especialmente el 3% de aleación de torio es muy recomendable para la soldadura automática del acero inoxidable. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 32 Imagen 2.30 Forma de trabajo de soldadura TIG. 2.12 Terminado del volante. El último paso dentro de la fabricación de nuestro proyecto fue el terminado, por motivos de dinero y de tiempo lo único que se hizo fue darte una pulida de modo que el volante se pudiera apreciar con un terminado espejo. Imagen 2.31 Volante terminado. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 33 Imagen 2.32 Volante terminado. En cuanto al proceso de soldadura y de pulido enunciamos aun poco de información en los siguientes párrafos, esto solo para dar a entender de una manera mas clara los procesos finales a los que fue sometido el volante. 2.12.1 Pulido Se denomina pulir a una operación mecánica que se realiza en la superficie de varios materiales para mejorar su aspecto visual, su tacto y su funcionalidad. A esta operación también se la conoce cono los términos pulido 2.12.2 Pulido de metales. El pulido de metales se realiza generalmente por motivos decorativos y mejorar el tacto, y consiste en limpiarlos bien y abrillantarlos cuando se trata restaurar artículos puros o chapados en oro, plata, cobre, aluminio, níquel, cromo y otros metales y aleaciones. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 34 • Para lograr un buen pulido, se requieren el uso de máquinas tales como esmeriladoras, lustradoras, y pulidoras tanto fijas, de mesa o portátiles, también se puede efectuar el pulido de forma manual con la ayuda de papel de lija para metales. Además de las citadas máquinas se utilizan disolventes, ácidos y diversos materiales abrasivos. • El pulido de metales puede suponer varios peligros, entre ellos, la exposición a sustancias químicas, accidentes en el uso de las máquinas, exposición a ruido y aspectos ergonómicos. Los trabajadores que realizan estas tareas deben observar precauciones de seguridad y utilizar equipos de protección personal. Los guantes, gafas de seguridad y caretas protectoras protegen las manos, ojos y la absorción de partículas de polvo. Se pueden utilizar crema, barrera para proteger la piel expuesta contra la absorción de sustancias químicas o metales. • Las sustancias químicas usadas para pulir metales pueden ser inflamables y peligrosas. Antes de su uso deberá consultarse la hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS) de cada sustancia química. Estas sustancias deben usarse en áreas dotadas de buena ventilación, sin humos ni fuentes de llamas. • Mantener limpio el lugar de trabajo es importante; el exceso de partículas de polvo suspendidas en el aire puede crear un riesgo de explosión. Los trabajadores deben cambiar los materiales de limpieza y aspiradoras al cambiarde metales; la mezcla de polvo de diferentes metales puede ser explosiva. Las herramientas, pulidoras y ropa deben limpiarse con frecuencia y cambiarse antes de empezar a trabajar con un metal diferente. DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 35 Capitulo 3. Momento torsionante. Sabemos que nuestro volante va a estar sujeto a fuerzas, las cuales debe ser capar de soportar de una manera correcta sin fatigarse, deformarse o fracturarse. Las cargas a las que el volante estará sujeto permanentemente son las de momento torsionante, debido a que este tendrá que transportar con eficacia el esfuerzo de torsión que nosotros aplicamos a la hora de virar, al sistema de manejo, y lo deberá hacer de una forma eficiente. Antes de pasar a los cálculos es importante mencionar un par de definiciones que aclararan nuestro panorama a la hora de hacer los mismos. El momento torsionante es un momento interno que actúa paralelo o tangencialmente a la sección transversal, asociándole un efecto de torsión al eje longitudinal del elemento estructural. 3.1 Torsión Torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas. La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso una curva paralela al eje se retuerce alrededor de él. El estudio general de la torsión es complicado porque bajo ese tipo de solicitación la sección transversal de una pieza en general se caracteriza por dos fenómenos: 1. Aparecen tensiones tangenciales paralelas a la sección transversal. Si estas se representan por un campo vectorial sus líneas de flujo "circulan" alrededor de la sección. 2. Cuando las tensiones anteriores no están distribuidas adecuadamente, cosa que sucede siempre a menos que la sección tenga simetría circular, aparecen alabeos seccionales que hacen que las secciones transversales deformadas no sean planas. El alabeo de la sección complica el cálculo de tensiones y deformaciones, y hace que el momento torsor pueda descomponerse en una parte asociada a torsión alabeada y una parte asociada a la llamada torsión de Saint-Venant. En función de la forma de la sección y la forma del alabeo, pueden usarse diversas aproximaciones más simples que el caso general. 3.2 Torque El torque es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 36 términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque = F x D) y se mide comúnmente en Newtons metro. 3.2 Cálculos de momento torsionante. Imagen 3.1 Volante acoplado a una flecha de dirección. Cuando se da una vuelta en redondo un conductor aplica una fuerza de 15 Kg. en el volante de dirección manual. La dirección hidráulica reduce este esfuerzo a unos 2.5 Kg. .5.2 KgF = ..rFT = .181.9 .5.2. KgN KgxKg = = NF 525.42= mr 368.05.14 =′′= ( )( ) mNT mNT .032.9 368.0525.42 = = wTP .= rad rev rad s rev w π π 2 1 2 1 = = DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 37 ( )( ) WP P 753.56 2032.9 = = π DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 38 Capitulo 4. Alternativas en el proceso de producción. Al pensar en la fabricación de nuestro volante de dirección para automóvil es más que obvio que nosotros tomamos en cuenta otras opciones de fabricación. Para la elección de la más correcta tomamos en cuenta los tiempos y costos que cada una de ellas nos tomaría. Sin embargo creo que es pertinente mencionar otra de las cuales tuvimos en cuenta, pero que por una u otra razón no utilizamos para la fabricación de nuestro volante. Es así como hablaremos acerca de la fundición, ya que nuestro proceso de fabricación alterno de nuestro volante consistía en la fabricación de un molde que nos permitiría obtener un modelo de fundición, con el cual obtendríamos un volante de dirección para automóvil. 4.1 Fundamento de Fundición. La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad de un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos más antiguos de formado que remonta 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa. La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: · La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. · Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. · Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). · El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. · Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Se debe mencionar también las desventajas asociadas con el proceso de fundición. Estas incluyen: DISEÑO DE VOLANTES DE DIRECCIÓN ESIME AZCAPOTZALCO INGENIERIA MECÁNICA 39 · Las limitaciones de algunos procesos · Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas · Piezas con porosidad · Baja precisión dimensional · Acabado deficiente de la superficie · Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento · Problemas ambientales. Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos polímeros y cerámicos. Revisaremos los fundamentos que se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido; se describen los procesos de fundición individualizados, junto con los aspectos que deben considerarse en el diseño de productos de fundición. 4.2 Tecnología de fundición. El proceso de fundición se realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan estas operaciones se llaman fundidores. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde.
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