Diseo de un torno para moldear madera con un sistema de
copiaDesign of a lathe to shape wood with a backup system
Campaa Diego, Jcome Javier, Logacho David, Suqui Marcelo
Resumen:
El torno de madera nos servir para poder moldear la madera de
modo que teniendo un tocho modelo nos permita copiarle de manera
similar. Se dise de la manera ms ptima, siguiendo un orden lgico y
estructurado de anlisis, comenzando por la identificacin de
requerimientos y restricciones, para as poder generar 3 posibles
alternativas de diseo, se realiz una casa de calidad con el fin de
identificar los criterios relevantes del cliente y de ingeniera,
analizndolos mediante una tabla de criterios ponderados, evaluando
cada criterio con respecto a cada una de las alternativas
propuestas y teniendo como resultado el diseo con mayor correlacin
a las caractersticas. Una vez seleccionada una alternativa se
analiz sus componentes y funciones complementarias, organizndolas y
evalundolas mediante una matriz obteniendo como resultado
componentes, materiales y caractersticas finales. Posteriormente se
realiz un diagrama de flujo de procesos para identificar materia
prima y los procesos de manufactura. Para la construccin de la
misma lo primero que tenemos que hacer es un diseo de los
diferentes elementos mecnicos utilizados para nuestro torno as como
el motor. Muchos de los elementos a calcular sern diseados como
vigas, columnas o ejes de acuerdo al funcionamiento que tengan en
la mquina y al tipo de carga que soporten, los cuales nos ayudaran
a un buen funcionamiento y adems en la resistencia de cargas del
torno. Una vez realizado este anlisis de diseo, se concluyo de que
el material a usar es el acero ASTM A-36, acero ASTM A-500 adems
para las columnas se podra utilizar un perfil normalizado de
aluminio ya que no soportaran mucha carga.
Palabras claves:Copiado, Madera, Columna, Viga, Eje, Esfuerzo,
Resorte, Deformacin
Abstract:
The wood lathe will help us to shape the wood, so we billet
having a model, let us copy the model similarly. The lathe was
designed in the most optimal way, following a logical order and
structured analysis, starting with the identification of
requirements and restrictions, so we were able to generate three
possible design alternatives, we made a quality home in order to
identify important aspects of the customer and engineering,
analyzing them using a table of weights, evaluating every aspect of
each of the proposed alternatives and design resulting in greater
correlation characteristics. When selecting an alternative, we
analyze its components and complementary roles, organizing and
evaluating through a die and as a result we obtained components,
materials and final characteristics. Later we performed a flowchart
of processes to identify raw materials and manufacturing
processes.
For the construction of the first wood lathe we made a design of
the different mechanical elements that we use for our lathe. Many
of the elements to calculate will be designed as beams, columns or
shafts according to the operation that these have on the machine
and the type of force that support, which will help us to have a
good performance and also the resistance forces machine.
After performing the analysis, we conclude that the material
that we will use is steel ASTM A-36, ASTM A-500 in addition to the
columns could use a standard aluminum outline, and they will not
put a heavy load
KeywordsCopying, Wood , Column, Beam , Shaft , Effort, Spring ,
Deformation
Introduccin:
Se denomina torno a un conjunto de mquinas y herramientas que
permiten mecanizar, cortar, fisurar, trapeciar, y ranurar piezas de
forma geomtrica por revolucin. Estas mquinas-herramienta operan
haciendo girar la pieza a mecanizar (sujeta en el cabezal o fijada
entre los puntos de centraje) mientras una o varias herramientas de
corte son empujadas en un movimiento regulado de avance contra la
superficie de la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las
condiciones tecnolgicas de mecanizado adecuadas. Desde el inicio de
la Revolucin industrial, el torno se ha convertido en una mquina
bsica en el proceso industrial de mecanizado.
La existencia de tornos est atestiguada desde al menos el ao 850
a.C. La imagen ms antigua conocida se conserva en la tumba de un
sumo sacerdote egipcio llamado Petosiris (siglo IV a.C.). Durante
siglos los tornos funcionaron segn el sistema de arco de violn. En
el siglo XIII se invent el torno de pedal y prtiga flexible, que
tena la ventaja de ser accionado con el pie en vez de con las
manos, con lo cual estas quedaban libres para otras tareas. En el
siglo XV surgieron otras dos mejoras: la transmisin por correa y el
mecanismo de biela-manivela. (Martnez, 2003)
Pero muchas veces se desea moldear un tocho de madera de forma
igual a algn modelo ya hecho, sin embargo al realizar esto de forma
manual, uno no queda igual al otro, sino de apenas de forma
similar. Al tornear la madera normalmente el operario tiene que
usar una cuchilla y por consiguiente irle devastando de esa manera.
Al tornear de esta manera las piezas no quedan igual puesto que no
se calcula al muy bien las distancias adems de que se pueden
cometer una serie de errores como cuando el operario devasta mal,
por estos motivos la pieza no va a quedar igual a la del modelo.
Por esto surge la necesidad de un torno con un copiadoEn la
actualidad existe un torno copiador que opera con un dispositivo
hidrulico y electrnico permite el torneado de piezas de acuerdo a
las caractersticas de la misma siguiendo el perfil de una plantilla
que reproduce una rplica igual a la gua.Este tipo de tornos se
utiliza para el torneado de aquellas piezas que tienen diferentes
escalones de dimetros, que han sido previamente forjadas o fundidas
y que tienen poco material excedente. Tambin son muy utilizados
estos tornos en el trabajo de la madera y de mrmol artstico para
dar forma a las columnas embellecedoras. La preparacin para el
mecanizado en un torno copiador es muy sencilla y rpida y por eso
estas mquinas son muy tiles para mecanizar lotes o series de piezas
que no sean muy grandes. (Bartsch, 2010)Figura 01: Esquema Torno
Copiador
La presente investigacin se la realiza para dar una facilidad en
el torneo de madera con el sistema de copia, el operario tendra que
poner el modelo, el tocho y la cuchilla requerida para poder
realizar una copia de la pieza.Metodologa:
Primeramente se identifican los requerimientos y restricciones
del torno, es lgico pensar que la misma tendr un grado de seguridad
para el operario para evitar daos en las personas, por lo que tendr
ciertas especificaciones establecidas
Requerimientos del torno para moldear madera con copiador a
disear:
1. El torno tendr un motor con una velocidad regulable, para que
el operario pueda controlar la velocidad segn su trabajo lo
requiera2. El torno tendr un sistema de apagado total del motor
para evitar cualquier daos a la pieza o al operario cuando este lo
necesite3. El sistema de copia debe ser un elemento intercambiable,
por lo que el operario tiene que trabajar con diferentes cuquillas
as lo requiera4. Se presentara una maquina fcil de uso as como la
reparacin y mantenimiento Restricciones del torno para moldear
madera con copiador a disear:
1. Los operarios de la maquina solo deben ser torneadores
expertos ya que ellos conocen la velocidades deseadas para el
desbaste y el cambio de cuquillas para su trabajo, el uso
inadecuado de velocidad puede provocar un mal trabajo o daos en la
maquinaria o en el operario 2. La mquina puede moldear figuras
concntricas y una distancia de hasta 50cm
Boceto inicial de las alternativas:
Se proceder a plantear tres alternativas de diseo (Figura 02,
Figura 03 y Figura 04). Los diferentes modelos se utilizan para
identificar las caractersticas y elementos que componen la
mquina.
Simultneamente se realiza una casa de calidad (Tabla 01) para
poder identificar y relacionar los criterios del cliente respecto a
los criterios de ingeniera, identificando los aspectos
fundamentales en los que el torno para moldear madera debe
basarse
Posteriormente se proceder a realizar en misma tabla criterios
resultante, generando una poderacion para cada uno, es decir su
importancia con respecto a los dems y se realiza la sumataroria de
los valores obtenidos para obtener el ms significativo. De igual
manera se relacionan los criterios con cada una de las
alternativas, analizndolas segn lo ms ptimo que es para cada
aspecto. Esto nos ayuda a evidenciar de una manera cuantitativa los
lineamientos en los que se debe basar el torno para moldeo de
madera
Figura 02: Alternativa A
Figura 03: Alternativa B
Figura 04: Alternativa C
Tabla 01: Casa de Calidad, requisitos del cliente y de
ingeniera
Para completar la tabla se relaciona estas dos ponderaciones
generando una ponderacin final, de la se ha obtenido la alternativa
ms ptima para el posterior desarrollo y anlisis del torno para
moldear madera.
Dependiendo de los distintos tipos de trabajo que el operario
requiera, sea analizan varias posibilidades para la funcionalidad
ms ptima de la maquina creando distintas matrices morfolgicas para
la creacin de conceptos (Tabla 02)
De las matrices de conceptos se organizan y ponderan, mediante
una matriz morfolgica (Tabla 03), las funciones, componentes y
caractersticas de la mquina. Jerarquizando cada criterio en si
relevante, efectico o flexible. El resultado se la sumatoria
determinara cual es la matriz de conceptos ms adecuada.
Tabla 02: Matriz Morfolgica para Generacin de Conceptos
Tabla 02: Matriz Morfolgica de Evaluacin de Conceptos
Para la realizacin del diagrama de procesos se analiz cada parte
a manufacturar y otras fabricadas, ya que no se posee la tecnologa
para la fabricacin y es ms adecuada comprar ya fabricadas. Se
describen las operaciones necesarias para manufactura de cada pieza
(Figura 05).
Para la visualizacin de la maquina terminada podemos referimos a
la figura (Figura 08).
Se analiz el diagrama de procesos del torno para moldear madera
como un todo, las operaciones necesarias para el ensamble y acabado
final de la maquina (Figura 09)
Finalmente se realizaron los clculos ms representativos de los
esfuerzos, las velocidades y potencias presentes en la mquina.
Clculos de Diseo para el torno para moderar madera con un
sistema de copia
Esquema inicial del proyecto
Tabla 05: Esquema inicial del proyecto
l. Vigas para el sistema de copiado
Los datos conocidos para el sistema de copiado son el paso mximo
que puede aplicar una personas con una mano que son de 20kgf o
196N[footnoteRef:1]. [1: Datos tomados de
http://www.semac.org.mx/archivos/congreso11/BIOM01.pdf]
Con estos datos podemos simular nuestros diagramas de fuerza
cortante y momento flector para determinar nuestros puntos crticos
del elemento a disear con el software MDSolids 3.5 (Figura 06,
Figura 07 y Figura 08)
Se disearon 3 tipos de fuerza que puede poner el operario que
son la izquierda, centro y derecha
Figura 06: Diagramas 01 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga de copia en posicin izquierda
Figura 07: Diagramas 03 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga de copia en posicin derecha
Figura 07: Diagramas 02 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga de copia en posicin centro
Como se determina en los diagramas el momento flector mximos es
el centro y es una carga dinmica por lo cual procedemos a trazar la
ruta de diseo correspondiente para realizar los clculos RUTA DE
DISEOCclicorea constanteDctilUniaxialFluctuante
El cual nos indica que el mtodo a utilizar es el de Goodman cuya
frmula es la siguiente
[Ec. 01] Esfuerzo Mnimo Esfuerzo Mximo Esfuerzo Amplitud
Esfuerzo Medio
Calculamos para un ACERO ASTM A36ASTM A36
Procedemos a calcular las contantes de seguridadFactor de
Superficie:
Factor de Tamao:
Factor de tipo de carga:
Factor de Temperatura:
Factor de Confiabilidad:
Con los factores calculados procedemos a encontrar el Se[Ec.
02]
Reemplazando los valores en la Ec. 01 tenemos que
Obtenido la seccin de la figura procedemos con esta a entrar a
los catlogos para poder seleccionar nuestro perfil a utilizar como
se puede visualizar en la Figura 08Figura 08: Catlogos para
perfiles cuadrados
Como se puede observar se escogi el perfil de 20mm x 20mm II)
Fuerza aplicada en las cuquillasLas fuerza aplicadas en las
cuquillas se obtuvieron de un diagrama de fuerzas y sacando las
reacciones para su proceso de corte de madera como se puede ver en
la Figura 09, adems se comprobaron las durezas de algunos tipos de
madera comprobando s que se puede utilizar un acero ASTM A36 para
la fabricacin de las cuquillas pero estas ya vienen fabricadas
Figura 09: Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector para
la fuerzas de presin en la cuchillas
III) Seleccin de resorte para el elemento de copia Para la
seleccin de resorte primero debemos tener unos parmetros en cuenta
cmo cual quiero que sea la fuerza de compresin as como su distancia
de deformacin para ellos utilizamos los datos sacados anteriormente
de la Figura 09, tambin queremos que el resorte se deforme 2cm y
con la siguiente ecuacin podemos determinar la constante que
queremos en el resorte Ley de Hooke [Ec. 03] x=2 cm
Con estos datos podemos encontrar en catlogo el resorte
requerido. La Figura 10 muestra un catlogo de resortes compresin de
la empresa Lee Spring Figura 10: Catlogos para resortes a compresin
Lee Spring-Mxico
Con lo cual podemos determinar que nuestro resorte requerido
es:RESORTE COMPRESION SERIE ESTANDAR LCMO55B12Con las siguientes
caractersticas
IV) Vigas para el sistema guaComo se puede observar el diseo
para el elemento gua ser una viga que al igual que el anterior
elemento soportara cargas de en los diferentes punto como se puede
observar en la Figura 11
Figura 11: Esquema del elemento gua
Como se dise antes la viga para la el sistema de copiado se
utilizara el mismo procedimiento para ellos procedemos a sacar los
diagramas de fuerza cortante y momento flector representados en la
Figura12, Figura 13 y Figura 14
Figura 12: Diagramas 01 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga gua en posicin centro
Figura 13: Diagramas 02 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga gua en posicin izquierda
Figura 14: Diagramas 04 de Fuerza Cortante y Momento Flector
para la viga gua en posicin derecha
Como se determina anteriormente en los diagramas el momento
flector mximos es el centro y es una carga dinmica por lo cual
procedemos a trazar la ruta de diseo correspondiente para realizar
los clculos igual que lo hicimos anteriormente
RUTA DE DISEOCclicorea constanteDctilUniaxialFluctuante
El cual nos indica que el mtodo a utilizar es el de Goodman cuya
frmula es la siguiente
[Ec. 01] Esfuerzo Mnimo Esfuerzo Mximo Esfuerzo Amplitud
Esfuerzo Medio
Calculamos para un ACERO ASTM A500ASTM A500
Procedemos a calcular las contantes de seguridadFactor de
Superficie:
Factor de Tamao:
Factor de tipo de carga:
Factor de Temperatura:
Factor de Confiabilidad:
Con los factores calculados procedemos a encontrar el Se[Ec.
02]
Reemplazando los valores en la Ec. 01 tenemos que
Figura 15: Catlogos para perfiles en forma de E
Como se puede observar se seccion el perfil de 50mm x 25 mm, se
utiliz tambin un material ms duro que el utilizado en el perfil
para la copia por lo que queremos que este elemento se desgaste
menos. Por ultimo comprobamos las dureza de las maderas en la
Figura 16 podemos apreciar en la siguiente tablaFigura 16: Dureza
de algunos tipos de madera
V) Columnas para el soporte del eje del motor y vigas guaEstos
elementos mostrados en la Figura 17 sern diseados como columnas ya
que solo sufren cargas a compresin
Figura 17: Diagrama del elemento para columna
De acuerdo a como van a estar diseadas las columnas podemos ver
que tienen la forma de empotrado- libre, lo cual nos obliga a usar
una constante de 2,1 en este caso.
Sacamos la fuerza teniendo en cuenta que el peso de un brazo es
de 18:
Por factores de diseo y seguridad vamos a multiplicar esta
fuerza por 3
Sacamos la constante de columna la cual nos va a ayudar a
verificar si es columna larga o corta.
De la frmula de la Pcritica despejamos la inercia, la cual es la
nica incgnita de esta ecuacin.
Una vez sacada esta, nos podemos dar cuenta que la inercia es
muy pequea por lo que al momento de ir al catlogo nos tocara elegir
una pieza con una seccin muy pequea.
Por este motivo procedemos a cambiar de material ALUMINIOComo
pudimos ver, para el acero nos sale una inercia muy pequea por lo
que decidimos cambiar de materia a aluminio.
Sacamos la constante de columna con los datos del aluminio.
Sacamos la inercia:
Sacamos el radio mnimo la cual est en los catlogos
Una vez hecho esto sacamos la RE para poder comprobar si es
columna larga o corta dependiendo de cul sea mayor con respecto a
la Cc.
Dado que Cc es mayor que RE podemos deducir que es columna
corta.Sacamos el rea de la seccin transversal con los datos del
catlogo.
Usamos la frmula de columna corta para poder realizar la
comprobacin si el materia que ya elegimos en el catlogo soporta la
carga que le vamos a someter.
Como podemos ver la carga que soporta el material elegido es
mucho mayor a la carga con la que le vamos a hacer trabajar, por lo
tanto:Si se puede usar el materialVI) Diseo del eje de
transmisinPara el diseo del eje primero seleccionamos el motor a
utilizar para lo cual tenemos las siguientes caractersticas as como
sus revoluciones, revoluciones de trabajo y la potencia. Con eso
podemos determinar el Torque de motor para los posteriores
clculos
Una vez seleccionado decimos que la trasmisin ser por banda
plana para lo cual tenemos
Ya con este dato podemos a crear los diagramas representados en
la Figura 18
Figura 18: Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector el
eje
Procedemos a determinar el dimetro del eje en cada punto
crticoEl material a utilizarse ser el AISI 1130 OBT1300 con las
siguientes caractersticas
Punto A
Punto B
Punto C
Una vez obtenido los dimetros procedemos a seleccionar los
rodamientos a utilizarseRodamiento B y C
Por catlogo obtenemos las siguientes caractersticas de los
rodamientos cncavos que van a soportar cargas radiales ininCon los
datos ya encontrados podemos disear el eje para lo cual utilizamos
la herramienta de Solidworks (Figura 19), con su respectivo plano
(Figura 20)
Figura 19: Diseo del eje en Solidworks
Figura 19: Planos del eje
Elementos de la maquina con sus cotas finalesBase del
conjunto
Columna para soporte del motor.
Soporte para la columna ajustadora del tocho
Columna para el ajustador del tocho
Tornillo para ajustar el tocho
Columna para el soporte del modelo
Llave para el ajustador
Viga para el soporte del elemento copiador
Viga que soporta el sistema de copia.
Anlisis de resultadosComo podemos apreciar en este artculo los
materiales a utilizar son el acero ASTM A-36 y ASTM A-500 los
cuales tienen las condiciones estructurales necesarias para poder
soportar las cargas mximas que esta mquina va a tener si se siguen
las dimensiones de perfil establecidas en el presente artculo. As
mismo las columnas de aluminio podrn soportar las cargas mximas.
Para la mayora de elementos se ha trabajado con un factor de
seguridad de 3, lo cual le da a la maquina una mayor confiabilidad
dado que tolera un porcentaje mayor de carga para la que fue
diseada. Algunos parmetros de dichos resultados van a estar
directamente relacionados con las dimensiones y medidas de los
distintos elementos de la maquina dado que los mtodos utilizados en
el diseo ocupan dichas medidas. Si se llegan a modificar esas
medidas se tendra que hacer otra vez el anlisis
estructural.ConclusionesSe ha logrado el diseo de un torno para
moldeo de madera con un elemento de copia con se ayuda al operario
hacer un trabajo ms preciso y ms rpido que un torno normal.El
anlisis de matrices como la casa de calidad y la tabla de criterios
ponderados permiten una correcta adecuacin del torno que finalmente
ha sido diseada con los requerimientos y los criterios ms valorados
tanto por el cliente como por la ingeniera El anlisis morfolgico
permiti la seleccin de componentes ms ptimos, as como las
caractersticas y funciones ms adecuadas que deben estar
presentes.Los materiales a utilizar son el acero ASMT-500 y el ASTM
A-36 dado que poseen las caractersticas mecnicas requeridas y
soportan las cargas de la mquina.La cuchilla a utilizar en el
desbaste del tocho tiene que tener una mayor dureza que la madera,
bajo ese requerimiento el material a usar es acero ASTM-A36.
AgradecimientosPor hacer posible la realizacin de este articulo
y gua en los paso para el dselo de la maquina al catedrtico de la
materia Tecnologas de Manufactura, de la carrera de Ingeniera
Mecatrnica. Ing. Alex F. Vinueza L. Msc.Pr su ayuda en aspectos del
diseo en algunos elementos mecnicos al catedrtico de la materia
Diseo de Elementos de Maquina, de la carrera de Ingeniera
Mecatrnica. Ing. Luis HidalgoPor su ayuda a la compresin de
aspectos importantes en un torno as como su funcionamiento al seor
Luis Cases Bibliografa Budynas, R. G., & Nisbett, J. K. (2008).
Diseo en ingeniera mecnica de Shigley (8th ed.). Mxico: McGraw-Hill
Interamericana. GROOVER, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura
Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas. Mxico: PrenticeHall
Hispanoamrica S.A. Mott, R. L. (2006). Diseo de elementos de
mquinas (4th ed.). Mxico: Pearson Educacin Resorte Lee Spring
(2011), Catlogos de resortes a compresin recuperado el 22 de Junio
del 2015 de http://www.acxesspring.com/constante-de-un-resorte.html
Aceros Boehler del Ecuador S.A. (2008). Manual de Aceros
Especiales. Aceros IPAC del Ecuador S.A. (2010). Manual de Aceros
Estructurales.