DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO DE RIEL CHANEL EN UN 40%. EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2017
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DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A
LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y
RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE
ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2017
DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A
LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y
RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE
ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero mecánico
Según la DIN 8582, el proceso se divide según la tensión que suele aparecer en la hoja:
➢ Conformado bajo condiciones de compresión.
➢ Conformado bajo la combinación de condiciones de resistencia y compresión.
➢ Conformado bajo condiciones de resistencia.
➢ Conformado bajo condiciones de doblado.
➢ Conformado bajo condiciones de cizallamiento.
➢ El conformado de la hoja puede realizarse usando herramientas mecánicas, con
aire o líquidos, magnéticamente o con explosivos. Procesos especiales de
conformado de chapa metálica incluyen conformado súper plástico y press
hardening, así como el conformado en caliente de aluminio y magnesio.
1 AUTOFORM ENGINEERING GMBH. Conformado de chapa metálica. {En línea}. {17 febrero de 2017}. Disponible en http://www.autoform.com/es/glosario/conformado-de-chapa-metalica/http://www.autoform.com/es/glosario/conformado-de-chapa-metalica/
Ésta puede ser moldeada y formada dependiendo del uso que se le vaya dar, y
normalmente está fabricada mediante los procesos de embutición profunda o laminación
plana2.
3.2.1. Laminación plana
En este proceso el metal se alimenta mediante un rodillo que reduce el espesor del
metal, permitiendo hacer grandes piezas de chapa metálica y producir gran variedad de
espesores. Dependiendo del espesor que se requiera, éste debe alimentarse mediante
muchos rodillos para hacerlo suficientemente plano. En la mayoría de los casos, los
rodillos se accionan mecánicamente y deben ejercer fuerzas muy grandes que produzcan
láminas metálicas uniformes.
3.2.2. Embutición profunda
Es uno de los métodos más comunes de fabricación de láminas de metal, y consiste en
hacer presión en el metal hasta que su espesor se reduce lo suficiente. Mediante el uso
de un punzón que ejerce una cantidad calculada de energía en el metal.
Cada punzón, generalmente, sólo comprime un cierto tamaño de metal, por lo que se
utilizan varios tamaños de prensa para la fabricación de diferentes tamaños de chapas
metálicas. Los punzones pueden ser de accionamiento hidráulico o conducidos por otros
medios mecánicos. Sin embargo, para cambiar el grosor de la chapa metálica que se está
fabricando, el punzón debe tener presiones ajustables. Este proceso reduce el espesor
del metal mientras aumenta sus otras dos dimensiones, lo que crea una hoja de metal sin
pérdida de material.
3.3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA
3.3.1 Troquelado.
Operación mecánica que se realiza en frío, mediante unas herramientas de corte
llamados punzones y el conjunto de una prensa en el cual se posiciona un troquel o
matriz, existen diferentes tipos de deformación plástica en este proceso, como
perforaciones, doblado (deformaciones permanentes), embutido, estampado, corte entre
otros, en este proceso no se modifica la masa ni la composición química de las piezas,
las ventajas de este proceso son grandes capacidades de producción, al ser un proceso
en serie tiene bajo costo de fabricación y se consigue la misma calidad en todas las
piezas.
2CANTELI, J.A, CANTERO, J.L, MIGUÉLEZ, M.H. Diseño Orientado a la fabricación. Universidad Carlos III Madrid. Disponible en http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/sistemas-de-produccion-y-fabricacion/material-de-clase-1/tema-7
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3.3.2. Tipos de troqueles
Se consideran dos tipos de troqueles, los troqueles simples y los troqueles progresivos,
los primeros realizan una operación en la misma hoja con un solo recorrido, se
encuentra limitado a formas relativamente simples, son procesos relativamente lentos y
presenta costos elevados de la matriz cuando son complejas. En la ilustración 4 se puede
observar un troquel simple y sus partes más representativas que componen el conjunto
para realizar un agujero en la cinta o tira de material.
Ilustración 4 Troquel Simple
Fuente: GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
Los troqueles progresivos tienen el mismo principio de los troqueles simples, pero estos
realizan dos o más operaciones en la lámina con cada golpe de la prensa y están
compuestos por varias estaciones realiza diferentes operaciones con el requerido
avance. En la ilustración 5 se realiza punzonado, muescado, doblado y perforado,
cuando la chapa llega a la última posición se encuentra separada y completa de la
lámina.
Ilustración 5 Troquel Progresivo
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.3.3. Prensa
Las prensas que se usan para el trabajo de láminas metálicas son máquinas herramienta
que tienen una mordaza fija y un pistón que se desplazada de arriba hacia abajo para
realizar las operaciones de corte, el punzón siempre se fija a la parte móvil y la matriz a
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la sección estacionaria que lleva el nombre de placa transversal, estas máquinas son
accionadas mediante fuerza mecánica o hidráulica, se diferencian por la capacidad que
es la disposición para manejar la fuerza y la energía para realizar el trabajo de
troquelado determinando su tamaño físico y la velocidad de producción, el sistema de
potencia es la clase de fuerza que usa y la forma en la que es trasmitida a la parte móvil
de la máquina y la forma del armazón se refiere a la construcción física de la prensa, las
formas más comerciales son de escote o en “C” y de lados rectos, en la ilustración 6 se
pueden observar los componentes de una prensa troqueladora típica accionada por una
transmisión mecánica.
Ilustración 6 Esquema Prensa Mecánica
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.4. ALIMENTADORES DE CHAPA PARA PRENSA
En el mercado actual existen diferentes tipos de mecanismos para alimentar la tira de
lámina en el troquel y le da el avance requerido para el proceso, el objetivo es poner en
marcha una estrategia de fabricación para producir más y mejor, como primer ejemplo
están los alimentadores de última generación dotados de un servomotor y un control
numérico computarizado que realiza una elevada precisión de avance de la lámina, se
usan en prensas automáticas y están diseñados para materiales blandos, hay de os tipos
de arrastre, el de alimentación por pinzas y el de banda de rodillo, son graduables
automáticamente a cualquier espesor de chapa y se pueden combinar con cualquier tipo
de prensa. En la ilustración 7 se puede observar un alimentador de pinzas, cortesía de
BRUDERER y en la ilustración 8 un alimentador de banda de rodillos, según su
fabricante son equipos modulares y de fácil mantenimiento.
Ilustración 7 Alimentador de Pinzas
Fuente: BRUDERER AG. Alimentadores de banda. 2017. Disponible en:
El diseño en ingeniería mecánica se dedica en gran medida al cálculo de
transmisiones y elementos mecánicos. Aun cuando esta parte es de vital
importancia, no deja de ser un paso dentro del proceso total de diseño. La
integración del proceso mediante un método general permite al estudiante
tener una visión más exacta del diseño, integrar los conocimientos
adquiridos y aplicar un método. Al diseñador le ofrece la oportunidad de
salirse de la forma empírica, muchas veces utilizada, al emprender un
problema de diseño, y seguir un procedimiento más confiable3.
3.5.1. Fases del diseño mecánico
GARCÍA presenta un modelo básico y funcional de las fases de diseño mecánico.
Ilustración 11 Fases de diseño mecánico
Fuente: GARCÍA, Guillermo. 2017. Un proceso general de diseño en Ingeniería
Mecánica. Disponible en https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4902645.pdf
3 GARCÍA, Guillermo. Un proceso general de diseño en Ingeniería Mecánica. Revista Ingeniería e investigación. Illinois. S.f. P.35. {En línea}. {11 febrero de 2017}. Disponible en https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4902645.pdf
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3.5.2. Elementos comunes en el diseño mecánico
En el diseño mecánico existen elementos comunes que se clasifican en mecánicos,
hidráulicos, neumáticos y eléctricos.
Para el presente proyecto se da una mayor relevancia a los sistemas mecánicos y
neumáticos, puesto que son los que se aplican al diseño del sistema de alimentación de
chapa metálica.
3.5.2.1. Sistemas mecánicos4
Estos elementos son todas aquellas piezas que constituyen los elementos de las
máquinas.
Los elementos constitutivos forman la estructura y la forma de la máquina, como por
ejemplo la bancada, el bastidor, los soportes y los carros móviles.
Los elementos de unión son aquellos que unen los diferentes elementos que conforman
la máquina. Hay dos tipos de elementos, de unión fija como los remaches y la
soldadura, y de unión removible como tornillos, pasadores, grapas y presillas.
Los elementos de trasmisión, como su nombre indica, trasmiten el movimiento y lo
regulan o modifican según sea el caso. Entre éstos se tienen los árboles de trasmisión,
engranajes, husillos, cadenas y correas y balancines.
Y finalmente, se tienen los elementos de pivotar y rodadura que permiten el giro,
deslizamiento o el pivotaje de los elementos móviles de la maquina sin mayor desgaste
o producción de calor, como cojinetes, rodamientos, resbaladeras y quicionera.
3.5.2.2. Elementos neumáticos
Los elementos neumáticos de una máquina funcionan, hacen funcionar o están
regulados por aire comprimido. Se cuenta para esto con válvulas, cilindros neumáticos y
turbinas neumáticas. En la sección 3.7 se amplía la información de los elementos
inherentes al proyecto.
3.6. AUTOMATIZACIÓN
La automatización se refiere al uso de sistemas donde se transfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de
elementos tecnológicos que tiene como propósito el conferir un valor agregado a las
materias de obra con las que operan.5
4 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR. Elementos de máquinas. {En línea}. {19 marzo 2017}. Disponible en http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/clasificacin_de_elementos_de_una_maquina.doc. 5 SENA. Introducción a los sistemas automatizados: Generalidades.
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Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al automatizar, de no
cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la automatización, y por tanto
no se podría obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los
siguientes:
➢ Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en un
ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina de
revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de pozos a
tierra para los instrumentos.
➢ Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le permite
crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para atender las
operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la automatización.
➢ Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un grupo de
personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte técnico
adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable.
➢ Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones
internacionales. Esto garantiza la interconectividad y compatibilidad de los
equipos a través de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad
de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.
Los componentes de un sistema automatizado se clasifican en: Elementos de control,
máquinas, pre actuadores, actuadores, sensores, interfaz hombre – mando.
Así mismo tienen dos componentes fundamentales: La parte de mando que es la
estación central de control o autómata, por tanto, es el elemento principal del sistema,
encargado de la supervisión, manejo, corrección de errores, comunicación, etc.; y la
parte operativa que es la parte que actúa directamente sobre la máquina, por tanto, son
los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las acciones, como por
ejemplo, los sensores y los actuadores en motores, cilindros, compresoras, bombas,
relés, etc.
3.7. PRINCIPIOS DE NEUMÁTICA
Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es
necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas esta la neumática, que
constituye el primer paso para transformar la mecanización en automatización.6
Si bien la utilización de la técnica del aire comprimido como fuente energética es
empleada, cada vez más, para la racionalización y automatización, ésta es relativamente
cara y podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y
distribución del aire involucran gastos elevados.
El aire comprimido puede utilizarse directamente, como elemento de trabajo; para
accionamiento de motores, embragues, cilindros o herramientas; regulado por medio de
válvulas y elementos accesorios, para impulsar una gran variedad de movimientos
mecánicos; en combinación con equipos oleo hidráulicos, para obtener con un coste
6 MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de 2017}. Disponible en http://www.microautomacion.com/files/flyer021_dic.2012_noa.pdf.
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reducido ciclos de trabajo precisos en bajas velocidades; con la electricidad, para
accionamientos a larga distancia y para los movimientos rotativos.
3.7.1. Actuadores neumáticos: Cilindros
Los cilindros son actuadores de acción lineal que transforman la energía del aire
comprimido en trabajo mecánico.
3.7.1.1. Tipos de cilindros neumáticos
Los cilindros más utilizados son los cilindros de simple efecto y de doble efecto.
➢ Cilindro de simple efecto: Uno de sus movimientos está gobernado por el aire
comprimido, mientras que el otro se da por una acción antagonista,
generalmente un resorte colocado en el interior del cilindro. Realiza trabajo
aprovechable, sólo en uno de los dos sentidos, y la fuerza obtenida es algo
menor a la que da la expresión F = P x A, pues hay que descontar la fuerza de
oposición que ejerce el resorte.
➢ Cilindro de doble efecto: En este modelo de cilindro, las carreras de avance y
retroceso se consiguen por medio de la presión del aire comprimido en cualquier
lado del émbolo, es decir, el aire comprimido ejerce su acción en las dos
cámaras de cilindro.
3.7.2. Válvulas neumáticas
Se denomina válvula a una pieza que sirve para cerrar o abrir un orifico o
conducto, o para interrumpir la comunicación entre dos órganos.
En neumática, la válvula es el elemento de mando que determina las
características del circuito, debiendo poseer cualidades decisivas para
actuar sobre los elementos o parámetros que intervienen en el proceso
operativo del circuito neumático.
Las válvulas neumáticas son los dispositivos que dirigen y regulan el aire
comprimido; gobiernan la salida y la entrada, el cierre o habilitación, la
dirección, la presión y el caudal de aire comprimido. Pudiendo en general
clasificarse como válvulas direccionales o auxiliares.7
Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las válvulas
neumáticas se clasifican en los siguientes grupos:
7MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de
2017}. Disponible en http://www.microautomacion.com/files/flyer021_dic.2012_noa.pdf.
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➢ Válvulas de control de dirección
➢ Válvulas de control de caudal
➢ Válvulas de control de presión
3.7.2.1. Criterios de selección de válvulas
Para llevar a cabo la elección de una válvula neumática, es conveniente recurrir a
ciertos criterios de selección, que posibilitarán la siguiente clasificación:
➢ Número de Vías: De esta forma llamaremos al número de orificios
controlados en la válvula, exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener 2,
3, 4, 5 ó más vías (no es posible un número de vías inferior a 2).
➢ Posiciones: Es el número de posiciones estables del elemento de
distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4 ó más posiciones (no es
posible un número de posiciones inferior a 2).
➢ Caudal: Es el volumen de fluido que pasa por determinado
elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se calcula a partir del flujo,
volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
➢ Sistemas de accionamiento: Una característica importante de toda
válvula es su clase de accionamiento o mando, debido a que de acuerdo con
ello, dentro de la cadena de mando de un equipo neumático, se la empleará
como elemento emisor de señal, órgano de control o de regulación.
3.8. TÉCNICAS DE CREATIVIDAD
3.8.1. Lluvia de ideas
Sus objetivos principales son romper las limitaciones habituales del pensamiento y
producir un conjunto de ideas entre las que poder escoger. La lluvia de ideas es útil para
atacar problemas específicos (más que los generales) y allí donde hace falta una
colección de ideas buenas, nuevas y frescas (más que no donde hace falta juicio o
análisis para decidir).
3.8.2. Lista de atributos
Mediante este método se identifican los atributos de un producto, servicio o proceso,
con la finalidad de considerarlos cada uno como una fuente de modificación y
perfeccionamiento. Se pueden hacer listas de características físicas, usos, sinónimos,
antónimos, partes, connotaciones, etc. Los atributos pueden ser muy numerosos hasta
hacer difícil su tratamiento, lo que obliga a reducir su número. Por esto, el método
distingue los atributos esenciales del resto, para quedarse sólo con los primeros.
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3.8.3. Seis sombreros para pensar
En ésta técnica existen seis sombreros imaginarios, cada uno de un color diferente. En
cualquier momento un pensador puede escoger ponerse uno de los sombreros o se le
puede pedir que se lo quite. Todas las personas de la reunión pueden usar un sombrero
de un color concreto durante un tiempo en un momento determinado. Los sombreros
involucran a los participantes en una especie de juego de rol mental.
3.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD “QFD”
El despliegue de la función de calidad (o QFD, por sus siglas inglesas) es un método de
diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y
las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias.
3.10. DISEÑO CONCEPTUAL
El diseño conceptual emplea relativamente pocos recursos y tiempo del desarrollo del
producto, sin embargo, define en gran medida la calidad y los costos finales del
producto.
Ilustración 12 Diseño conceptual
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos.
Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. PhD. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1. Análisis funcional
3.10.1.1. Modelo de caja negra
En éste modelo las funciones expresan QUÉ debe hacer el producto y la estructura o
formas, expresan CÓMO el producto desarrollará las funciones. El método de la caja
negra es cualquier proceso o mecanismo cuya forma de actuar no es comprendida, ni
accesible al usuario. El enfoque de la caja negra para solucionar problemas es un
método simple, pero eficaz e importante para solventar problemas complejos.
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Ilustración 13 Modelo de caja negra
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos.
Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. Ph.D. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1.2. Modelo de caja gris
Para este modelo se toma como punto de partida los resultados de la caja negra. Las
funciones hacen alusión a las acciones que se llevan a cabo dentro del producto sobre
los materiales, energía o información, y no deben restringir los tipos de solución
(conceptos) que puedan desarrollarla.
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4. ESTUDIO PRELIMINAR
4.1. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA (PRIMER NIVEL)
A continuación, se muestra la distribución del primer nivel de la planta de producción.
En esta zona se llevan a cabo los procesos de manufactura necesarios para producir el
riel chanel. El segundo nivel no se muestra ya que allí se llevan a cabo los procesos de
limpieza de materia prima, procesos de soldadura y pintura electrostática, los cuales no
son relevantes para el objetivo planteado en el proyecto.
Ilustración 14 Distribución del primer nivel de la planta de producción de la empresa
PH&ES (medidas en metros)
Fuente: Autores
4.2. EL RIEL CHANEL
Esta clase de riel es utilizado para la instalación de bandejas y componentes, en repisas
metálicas destinadas para el uso eléctrico, dicho riel tiene las siguientes características:
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Ilustración 15 Modelo en tres dimensiones de un tramo de riel chanel.
Fuente: Autores.
Tabla 1 Características del riel chanel
MATERIAL ACERO GALVANIZADO CR
DIMENSIÓN DE LA
MATERIA PRIMA 1,22m X 2,44m
DIMENSIÓN DEL
PRODUCTO (mm)
CANTIDAD DE RANURAS
DEL RIEL 42 RANURAS
MASA DEL RIEL
Fuente: Autores.
4.3. PROCESO DE FABRICACIÓN
4.3.1. Equipos requeridos para el proceso
A continuación, se presentan cada uno de los equipos existentes en PH&ES y que se
utilizan en el proceso de fabricación del riel chanel.
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4.3.1.1. Cortadoras de lámina metálica
Estos equipos sirven para cortar la materia prima de acuerdo a las dimensiones de
desarrollo del riel chanel.
Ilustración 16 Cortadora manual de lámina metálica.
Fuente: Autores.
Ilustración 17 Cortadora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.1.2. Troqueladora y troquel de ranura riel chanel.
Durante el proceso de fabricación de riel chanel, se requiere hacer uso de esta máquina
para perforar las tiras de lámina metálica.
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Ilustración 18 Troqueladora de 30 Ton
Fuente: Autores.
Ilustración 19 Troquel para ranura de riel chanel
Fuente: Autores.
4.3.1.3. Dobladora de lámina metálica
Las dobladoras de lámina se utilizan en la manufactura de riel chanel, para dar la forma
característica del producto.
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Ilustración 20 Dobladora manual de lámina metálica
Fuente: Autores.
Ilustración 21 Dobladora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.2. Descripción del proceso de fabricación
A continuación, se muestra el diagrama de fabricación de riel chanel.
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Ilustración 22 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de riel chanel
PROCESO DE FABRICACIÓN DE
RIEL CHANEL
Corte de materia
prima
Troquelado de
ranuras
Doblado de riel
Fuente: Autores.
4.3.2.1. Primera etapa: El corte
De acuerdo al espesor que se utilice, se deben cortar tiras de 2,44m con las siguientes
dimensiones.
Tabla 2 Dimensiones de corte para fabricación de riel chanel según el calibre.
Calibre Ancho de
corte (mm)
Cantidad de tiras
obtenidas por lámina
Retal
(mm)
14 86 14 16
16 89,5 13 56,5
18 93 13 11
20 95,5 12 74
Fuente: Autores.
El tiempo que tarda una persona experimentada en cada corte es de 5 segundos si el
proceso se ejecuta con la cortadora eléctrica. Si se hace en la cortadora manual, el
tiempo se duplica, por tanto, el lapso temporal de corte de una lámina completa, y para
cada espesor es el siguiente.
Tabla 3 Comparación de tiempo de corte de chapa metálica de acuerdo al equipo
utilizado y el calibre de lámina.
Calibre Tiempo de corte en equipo
eléctrico (s)
Tiempo de corte en equipo
manual (s)
14 70 140
16 65 130
18 65 130
20 60 120
Fuente: Autores.
En los datos presentados no se tiene en cuenta el tiempo de montaje de lámina y se
tienen en cuenta condiciones ideales del estado del operario y de la lámina.
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4.3.2.2. Segunda etapa: El troquelado
El proceso se lleva a cabo de forma manual. Se instala un tope sobre el cual el operario
desplaza la tira metálica, y otro que define el paso de troquelado.
Al tener las tiras de material listas, el operario debe adaptar el troquel de ranura chanel
en la prensa. Se emplean 6 minutos para el montaje y reglaje del troquel en la máquina.
El tiempo total que gasta un operario experimentado para troquelar una tira de 2,44m de
longitud, es de 5 minutos. Esto quiere decir que, para troquelar cada ranura, el tiempo
necesario es de aproximadamente 7 segundos.
Una persona sin experiencia puede tardar hasta 10 minutos, es decir, 14 segundos por
cada ranura.
4.3.2.3. Tercera etapa: El doblado
Para obtener un riel chanel se requieren 4 dobleces que se deben hacer entre dos
personas debido a la longitud de la tira de material. Cada tira de material se marca con
las líneas de doblez con ayuda de un rayador metálico. Esta operación requiere
alrededor de 8 segundos. Para ejecutar cada doblez se requiere de 5 segundos, lo que
arroja un total de 20 segundos para la etapa de doblado. Esta es la última fase de
fabricación del riel Chanel.
A continuación, se presentan los tiempos de fabricación para una tira de riel chanel
cuando el proceso es ejecutado por una persona con experiencia en el equipo eléctrico,
no se tiene en cuenta el tiempo de montaje y reglaje del troquel en la troqueladora ni el
tiempo muerto del proceso (alistamiento de materia prima, movilización entre
máquinas, etc.).
Tabla 4 Resumen de tiempo de fabricación de riel chanel.
Tiempo de
corte (s)
Tiempo de
troquelado (s)
Tiempo de
marcas de
doblado (s)
Tiempo de
doblado (s)
Tiempo
total (s)
5 300 8 20 333
Fuente: Autores.
Debido a que el objetivo principal de este trabajo es reducir en un 40% el tiempo de
troquelado, puesto que es la etapa de producción de riel chanel que toma mayor tiempo
(90% del tiempo total), se calcula que el tiempo de troquelado que se debe conseguir
con la máquina diseñada debe ser máximo de 180 segundos.
4.3.3. Especificaciones de la troqueladora
A continuación, se presentan las características técnicas de la prensa hidráulica existente
para ejecutar las labores de troquelado en la empresa PH&ES..
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Tabla 5 Especificaciones técnicas de la troqueladora.
Presión nominal 30 toneladas
Golpes por minuto 150 golpes
Carrera del carro 50mm
Profundidad de la garganta 470mm
Distancia del piso a la mesa de trabajo 850mm
Tipo de embrague topes y cuña
Motor 2 HP / 220v / 1140 RPM / trifásico
peso total aproximado 1100 kg
Fuente: Autores.
Se evalúa el estado general del equipo para verificar que no existan problemas que
impidan el correcto cumplimiento del objetivo principal planteado en el proyecto. Los
resultados obtenidos se presentan a continuación.
Tabla 6 Evaluación del estado de la troqueladora.
Estado de sistema hidráulico BUENO
Estado de conexiones eléctricas BUENO
Ajuste del carro BUENO
Lubricación REGULAR
Estado de las correas de transmisión REGULAR
Estado del pedal de accionamiento BUENO
Estado del troquel BUENO
Pintura BUENO
Fuente: Autores.
Se recomienda llevar a cabo una lubricación periódica del equipo según las indicaciones
del proveedor, además hacer el cambio de las correas de transmisión, ya que su estado
puede interferir en la operación normal y conducir a un riesgo en la seguridad de los
operarios.
4.3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO ACTUAL DE
TROQUELADO
Observando el proceso de fabricación de riel chanel se evidencian las siguientes
ventajas y desventajas.
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Tabla 7 Ventajas y desventajas del proceso actual de troquelado en la empresa PH&ES.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Menor tiempo de
"distracción" del
operario
Desgaste físico y mental
del operario
Control de calidad
en cada troquelado
Probabilidad de accidente
del operario
Tiempo moderado
de producción
Estándar de tiempo de
producción variable de
acuerdo al operario
Mayores costos operativos
Mayor probabilidad de
error
Fuente: Autores.
4.3.5. Riesgos laborales de un operario al troquelar
En el entorno industrial los operarios se exponen a diferentes riesgos que despenden de
la tarea que desarrollen. Para el caso de una persona dedicada a troquelar en la empresa
PH&ES, tenemos:
- Riesgo de amputación y/o corte con el troquel.
- Riesgo de alergias por fibras.
- Riesgo de lesiones dorso lumbares por manipulación del troquel o acciones
repetitivas.
- Riesgo de atrapamiento con la prensa o las partes móviles de la máquina.
- Riesgo de exposición a ruido.
4.3.5.1. Recomendaciones actuales de seguridad
Uso de guantes adecuados.
- Manipulación del equipo sin influencia de sustancias embriagantes y/o
alucinógenas.
- Uso de gafas, tapa oídos y mascarilla de seguridad.
- Uso de botas de seguridad.
4.3.6. Disponibilidad operativa
En la etapa de fabricación de riel chanel, PH&ES cuenta con la colaboración de 9
personas, el jefe de planta, 2 soldadores, 4 personas encargadas de corte, doblez y
troquelado; 1 persona encargada de la limpieza de la materia prima y 1 pintor.
Para la producción continua de riel chanel, se requiere de 4 personas, 1 en la zona de
corte, 1 ejecutando la operación de troquelado y 2 realizando los dobleces.
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Debido a que el troquelado es la operación que más tarda, ocasiona acumulación en la
zona de corte y retraso en la operación de doblado. Este es otro de los escenarios
críticos de producción.
4.4. ESTUDIO DE LA DEMANDA ACTUAL Y PROYECCIÓN A CORTO
PLAZO.
4.4.1. Demanda actual del producto en estudio.
Actualmente, la demanda de riel chanel mensual en PH&ES, se encuentra en un
promedio de 1200 unidades8. El tiempo que toma la fabricación de esta cantidad de riel
chanel, evaluado bajo las condiciones presentadas en el apartado 1.4.2. sería:
Teniendo en cuenta que el periodo laboral diario es de 8 horas, se necesitarían casi 14
días para culminar el trabajo, de los cuales 12 días corresponden a labores de
troquelado.
Si se tienen en cuenta los tiempos muertos, rotación de trabajos y labores de reproceso,
el tiempo de producción de esta cantidad de riel, asciende a 18 días.
Al reducir el tiempo de troquelado en un 40%, esta demanda se puede suplir en 72
horas, es decir 9 días aproximadamente, de los cuales 7,5 días corresponderían a labores
de troquelado.
8 Dato suministrado por el departamento comercial de la empresa, y verificado con las facturas del periodo comprendido entre septiembre del año 2016 y febrero del año 2017
40
5. DATOS DEL PROCESO ACTUAL
En esta sección se muestran los datos tomados en la empresa PH&ES enfocados al
proceso de troquelado de riel chanel, se generan estadísticas y proyecciones, además de
encontrar conclusiones que faciliten el entendimiento de la problemática real de la
empresa.
5.1. TIEMPO DE REGLAJE DE LA PRENSA PARA TROQUELADO DE
RIEL CHANEL
En seguida se muestran los datos de reglaje de la máquina utilizados por cada operario,
y se calcula el promedio general de puesta en marcha del proceso de troquelado de
ranuras.
Tabla 8 Promedio del tiempo de reglaje de la troqueladora para producción de riel
chanel en la empresa PH&ES
Tiempo de reglaje
utilizado (s)
Operario 1 348
Operario 2 375
Operario 3 362
Operario 4 353
Promedio 359,5
Fuente: Autores.
El valor promedio del tiempo de reglaje de la máquina es de 359,5 s, es decir 6 minutos.
Sin embargo, se debe tener en cuenta que la empresa requiere llevar a cabo otros
procesos en la prensa. Normalmente el troquel de ranura para riel chanel se monta en la
prensa dos veces al día.
5.2. TIEMPO DE TROQUELADO PARA RIEL CHANEL
Para obtener el promedio de tiempo utilizado para el troquelado de un riel chanel en la
empresa PH&ES, se realiza la toma de tiempos a los cuatro operarios responsables de
ejecutar dicha labor, de forma independiente y en tres horarios diferentes (8:00 am,
01:00 pm y 3:00 pm), durante tres días.
Primero, se calcula el promedio individual en cada horario y por día, después se
promedia el tiempo de ejecución de la operación de los tres días evaluados para cada
operario, el cual arroja el tiempo de troquelado por persona. Los tiempos utilizados por
operario y día, pueden observarse en el anexo 1.
A partir de los tiempos estimados anteriormente, se consigue un valor promedio de
troquelado de riel total, este último se toma como base para evaluar el objetivo principal
del proyecto.
41
Tabla 9 Promedio de tiempo utilizado por los operarios en el troquelado de riel chanel
Promedio operario 1 (s) 300
Promedio operario 2 (s) 301
Promedio operario 3 (s) 298
Promedio operario 4 (s) 302
PROMEDIO TOTAL (s) 300
Fuente: Autores.
Como se puede observar, la variación de la rapidez con la cual se ejecuta la operación
de troquelado de riel chanel no se puede determinar con exactitud, debido a las
diferentes condiciones bajo las cuales se realiza el trabajo. Sin embargo, se puede inferir
que el tiempo de proceso es dependiente del operario, lo cual es un problema ya que no
siempre se obtendrá el mismo rendimiento. En la tabulación realizada, se puede apreciar
que a la 01:00 pm los operarios disminuyen su rendimiento, lo cual afecta directamente
el valor final de tiempo de operación. Al discutirlo con ellos, lo relacionan con la
hipoglucemia postprandial, o comúnmente llamada “cansancio por el almuerzo”.
La inclusión de un sistema automatizado de alimentación en el proceso puede ayudar a
controlar dichos tiempos, aumentar y obtener una proyección más realista de la
capacidad de producción, mejorando el acierto en las fechas de entrega pactadas con los
clientes y por consiguiente la satisfacción de los mismos.
En esta sección también se muestra una medición aproximada de los tiempos muertos
existentes en el proceso, los datos presentados son aquellos que se pudieron registrar
para cada operario mientras ejecutaban el proceso de troquelado.
Tabla 10 Promedio de tiempo muerto por lote de producción de riel chanel.
TIEMPO MUERTO POR LOTE DE PRODUCCIÓN EN OPERACIÓN DE
De acuerdo a los resultados, se puede obtener un orden de prioridades a seguir en el
diseño, en el caso de no poder suplir varias al mismo tiempo. Dentro de los aspectos con
mayor prioridad de diseño se obtienen:
➢ Eliminación de vibración en el equipo.
➢ Planos de conjunto para facilitar entendimiento de sistemas.
➢ Automatización del proceso.
➢ Minimización de tiempos de fabricación de riel chanel.
Los resultados y la matriz QFD completa se pueden encontrar en el anexo 3.
6.2. ANÁLISIS FUNCIONAL
Partiendo de las restricciones e ideas iniciales y los datos obtenidos en el QFD, se puede
desarrollar el modelo de caja negra, descomposición funcional y caja gris, para facilitar
la interpretación del funcionamiento, composición y flujo de energía en el dispositivo
deseado.
6.2.1. Modelo de la caja negra
El modelo de la caja negra permite dar una explicación generalizada de cuál es el
proceso lógico de operación del sistema en desarrollo e identificar los principales
objetivos a conseguir con el mismo. Del análisis de la información obtenida en el QFD,
se obtiene el siguiente modelo de caja negra.
49
Ilustración 23 Modelo de la caja negra para el proceso de diseño del alimentador de
chapa metálica.
Fuente: Autores.
6.2.2. Análisis funcional
Con esta técnica se identifican las acciones que debe ejecutar el dispositivo alimentador
y posibles formas de llevarlas a cabo, esto con el fin de abrir posibilidades de diseño y
poder evaluar nuevas restricciones en el proceso. La descomposición funcional puede
observarse en el anexo 4.
6.2.3. Caja gris
Al combinar el modelo de la caja negra y la descomposición funcional se puede
visualizar el flujo de información a través del sistema propuesto, para evidenciar e
identificar las tareas de diseño. El modelo resultante se presenta a continuación.
Ilustración 24 Modelo de caja gris para el proceso de diseño del alimentador de chapa
metálica.
Fuente: Autores.
50
6.2.4. Check list
Esta técnica permite generar ideas que pueden ser utilizadas para desarrollar conceptos
que permitan cumplir con los requisitos de PH&ES.
Al aplicar la metodología se obtienen nuevas ideas generadoras que facilitan el
acercamiento a los conceptos iniciales del dispositivo de alimentación de chapa
metálica.
Tabla 13 Check list para generación de ideas
CHECK LIST
SUSTITUIR
Alimentación de chapa metálica de forma manual.
Forma de accionamiento del sistema.
Fuente de energía motriz.
COMBINAR Sistema automatizado y supervisión humana.
Sistema neumático y sistema mecánico.
ADAPTAR
Prensa mecánica
Sistema de alimentación y prensa de troquelado.
Red neumática de la empresa y sistema de
alimentación
MODIFICAR Tope manual del troquel.
Bridas de fijación de la mesa.
PONERLO, OTROS
USOS
Alimentación de otros materiales.
Dispensador de materia prima.
ELIMINAR Accionamiento por pedal de la troqueladora.
Error humano.
REORDENAR Rutina de operación del usuario.
Fuente: Autores.
Con base en éste listado, se generan los requerimientos iniciales para los diferentes
campos del diseño del dispositivo, como por ejemplo, el sistema de fijación, la forma de
operación del equipo, la energía a utilizar, los topes para el posicionamiento de la chapa,
etc. Además, permite observar nuevos parámetros a considerar, que no se tenían
previstos al inicio de la etapa de diseño, como el control del equipo, el suministro de
material y el accionamiento de la troqueladora.
6.2.5. Seis sombreros para pensar
Esta metodología permite ver los diferentes escenarios que se pueden obtener desde
diversos puntos de vista, se obtienen conclusiones que facilitan la selección de
conceptos en la etapa de diseño detallado, como preferencias, problemas a evitar,
aplicaciones a largo plazo del dispositivo y mejoras en el proceso de troquelado. El
análisis que se realiza puede verse en el anexo 5.
51
6.3. JERARQUIZACIÓN POR SUBSISTEMAS
Este análisis permite aproximar los subconjuntos funcionales para el diseño del
alimentador de chapa metálica, y a partir de éste, empezar a generar conceptos
preliminares de diseño. Esta jerarquización se encuentra en el anexo 6.
6.4. INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS
Este método permite combinar los conceptos planteados y obtener múltiples soluciones
al diseño del alimentador de chapa. Los conceptos se obtienen al aplicar la
jerarquización de los subsistemas del alimentador de chapa metálica. Las tablas de
conceptos que se obtienen para combinar son:
Ilustración 25 Tablas de conceptos para combinación.
Fuente: Autores
Al realizar la combinación de conceptos se pueden obtener 3125 combinaciones, sin
embargo, teniendo en cuenta el cumplimiento de los requisitos del cliente obtenidos al
aplicar las metodologías de diseño anteriores, se pueden destacar como sobresalientes
las presentadas en el anexo 7.
Los conceptos seleccionados se someten a observaciones que permiten evidenciar las
ventajas y desventajas de cada uno, con respecto a los requisitos de PH&ES, como se
muestra en el anexo 8.
52
6.5. SÍNTESIS DE LAS METODOLOGÍAS DE DISEÑO APLICADAS
En resumen, las metodologías de diseño aplicadas, permiten definir los aspectos a
priorizar que son:
➢ Facilidad en la operación del dispositivo.
➢ Seguridad en el manejo del equipo.
➢ Reducción de los tiempos de troquelado.
➢ Uso de un sistema neumático para aprovechar la red existente en la empresa.
➢ Facilidad de mantenimiento del equipo.
6.6. PLANTEAMIENTO DE POSIBLES SOLUCIONES PARA EL DISEÑO
DEL SISTEMA DE ALIMENTACIPIN DE CHAPA METÁLICA
Después de aplicar las metodologías de diseño y tener una idea más concreta de las
necesidades y requerimientos de PH&ES, se plantean tres mecanismos diferentes para
diseñar el sistema de alimentación de chapa metálica, que son sometidos a evaluación.
6.6.1. Propuesta 1: Mecanismo simple de 4 barras
Este sistema consta de 4 barras que se anclan al carro móvil de la troqueladora y
transforma el movimiento lineal de la misma para obtener un movimiento rotacional
que permita el desplazamiento de la chapa metálica. Este mecanismo restringe el
acceso del operario a zonas peligrosas, sin embargo, requiere de modificaciones a la
máquina original, además, puede existir deslizamiento de la chapa metálica que
ocasiona errores dimensionales en el producto. También requiere de la instalación de un
sistema adicional para ubicar la lámina en la zona de troquelado.
Ilustración 26 Mecanismo simple de cuatro barras
Fuente: Autores.
53
6.6.2. Propuesta 2: Sistema de actuadores neumáticos
Esta propuesta combina una serie de actuadores neumáticos que ejercen la función de
pisar la lámina y trasladarla, acercándola a la zona de troquelado, y regresando a su
posición inicial para repetir el ciclo. Propone la utilización de sensores para el control
de las variables en el proceso y requiere la implementación de guardas de seguridad.
Ilustración 27 Sistema de actuadores neumáticos
Fuente: Autores.
6.6.3. Propuesta 3: Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras
El sistema propuesto consta de una banda transportadora que mueve la chapa metálica
en dirección a la zona de troquelado aprovechando la energía de un elemento motriz
rotativo, mientras, un brazo con un punto de giro permite la alineación de la chapa
metálica a través de todo el recorrido. Requiere de un bastidor complejo y mayor
inversión económica.
Ilustración 28 Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras
Fuente: Autores.
6.7. MATRIZ DE EVALUACIÓN DE PROPUESTAS
A partir de los requerimientos obtenidos con la aplicación de las metodologías de
diseño, se evalúa el cumplimiento de los mismos para cada una de las propuestas
presentadas.
54
La ponderación se realiza con base en una escala de 1 a 3 como se muestra en la
siguiente tabla.
Tabla 14 Escala de ponderación de propuestas
ESCALA PUNTAJE
No cumple el criterio 1
Cumple moderadamente el
criterio 2
Cumple el criterio 3
Fuente: Autores.
Tabla 15 Evaluación de propuestas
CRITERIO DE
EVALUACIÓN
PROPUESTA
1
PROPUESTA
2
PROPUESTA
3
Presupuesto 3 2 1
Funcionalidad 2 3 2
Facilidad de operación 3 3 3
Seguridad en el uso 3 3 3
Reducción de tiempo 2 3 3
Facilidad de mantenimiento 3 3 2
Uso de red neumática 1 3 1
PROMEDIO 2,43 2,86 2,14
Fuente: Autores.
Con base en la ponderación obtenida, se selecciona la propuesta con mayor índice de
cumplimiento de los requisitos de PH&ES, siendo la propuesta 2 la seleccionada y con
mayor aceptación dentro de las partes interesadas.
55
7. DISEÑO DETALLADO
En este capítulo se muestran los procedimientos de diseño e ingeniería aplicados al
diseño del alimentador de chapa metálica elegido por PH&ES.
7.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
El sistema de alimentación está constituido por subconjuntos mecánicos y tiene la
función de arrastrar la tira de material en dirección a la placa matriz y el punzón
perforador (la ilustración 32 indica el sentido de alimentación). El diseño tridimensional
permite verificar la facilidad de ensamble de los componentes y determinar cómo se
relacionan los elementos garantizando cero interferencias.
Desde la etapa de modelado CAD se puede controlar el tamaño de los componentes, la
alineación, el peso y el proceso de fabricación. En este caso, las piezas presentadas se
configuraron para manufactura en máquinas convencionales, procesos de torneado para
cilindrar las barras y mecanizado de agujeros de fijación, con ajustes deslizantes con
juego y amplias tolerancias de fabricación.
Para optimizar el proceso de fabricación, se decide no mecanizar los contornos de las
placas si no se requiere, se reutilizan elementos para crear procesos de fabricación en
serie, se hace uso de materiales comerciales y de fácil adquisición, y se diseña de
manera que el equipo sea modular.
Al finalizar el proceso de diseño se obtiene un equipo de dimensiones ancho: 390mm,
largo: 550mm, altura: 180mm, y masa de 23Kg. Para la fabricación se usan materiales
como ultrapol (plástico de ingeniería) y acero para maquinaria AISI 1045 con un
recubrimiento de zinc azul que disminuye la oxidación aislando la superficie de la pieza
del medio ambiente.
Ilustración 29 Sistema de alimentación de chapa metálica
Fuente: Autores
56
Se adapta una plancha de acero estructural ASTM A-36 que cumple la función de
bastidor en la cual se fijan los componentes formando el sistema de alimentación
electro-neumático.
El sistema de alimentación, además, está compuesto por un cilindro con riel H de marca
MICRO que ejerce la función de desplazamiento de la tira metálica inmediatamente
después de que el cilindro compacto ejerza presión sobre la placa móvil adaptada al
vástago del primer cilindro. Se utilizan placas de aluminio calibrado como soporte de
los cilindros, una placa de aluminio sobre la que se desplaza la tira metálica mientras un
sistema de alineación centra la lámina con respecto al punzón de troquelado. La fijación
del dispositivo a la mesa troqueladora se realiza por medio de bridas de amarre que al
ser adaptado a un sistema de cuñas, garantizan la correcta alineación del sistema,
evitando errores en el troquelado de ranuras. Se planea instalar guardas en acrílico para
proteger al operario del atrapamiento y permitir visualizar el correcto funcionamiento
del sistema de alimentación.
7.2. COMPROBACIÓN DE LA FUERZA DE TROQUELADO
Para los cálculos se toma como referencia el mayor espesor troquelado en la empresa
PH&ES, (Calibre 14 = 1.9mm).
La fuerza de corte de la lámina está definida por: 𝐹𝑐 = 𝑃 ∗ 𝑒 ∗ 𝜎𝑐
Donde,
P = Perímetro de recorte. (76,5mm)
e = Espesor de la chapa. (1,9mm)
σc = Resistencia al corte. (40 Kgf/mm2)
𝐹𝑐 = 76,5𝑚𝑚 ∗ 1,9 𝑚𝑚 ∗ 40 𝐾𝑔𝑓/𝑚𝑚2
𝐹𝑐 = 5814 𝐾𝑔𝑓 = 57 𝐾𝑁
Con esto se corrobora la capacidad de operación de la troqueladora, la cual es de 30000
Kgf.
7.3. ESPECIFICACIÓN DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA
Se utilizará un sistema electro-neumático para llevar a cabo la tarea de alimentación de
chapa metálica. El accionamiento del pedal, el sistema pisador y de desplazamiento de
chapa metálica se llevan a cabo utilizando actuadores neumáticos siguiendo la
programación de la lógica cableada diseñada. Se trabaja con un sistema en la entrada
para empujar y otro en la salida para halar la tira metálica, esto se debe hacer ya que se
necesita una segunda fuerza motriz que conduzca la tira metálica cuando esta sale del
primer sistema. El ciclo de trabajo es el siguiente:
57
Ilustración 30 Secuencia de trabajo del sistema de cilindros neumáticos
Fuente: Autores
En la ilustración anterior se evidencia la posición inicial de los actuadores, y su cambio
en cada estado. Adicional se muestra la descripción del movimiento del punzón. En la
primera etapa, se accionan los cilindros 2 y 3, para pisar la chapa metálica y poder
movilizarla con la ayuda de los cilindros 4 y 5 en la segunda etapa. La tercera fase del
ciclo de trabajo es el accionamiento del pedal en la troqueladora (cilindro 1) el cual
retorna a su posición original en el siguiente periodo, de forma simultánea con los
demás cilindros.
7.4. DEFINICIÓN DE LAS LIMITANTES DE ESPACIO
Se realiza el levantamiento metrológico para obtener las dimensiones de la máquina
troqueladora y el troquel para ranura. Esto permite obtener las restricciones espaciales
para el dimensionamiento del sistema alimentador y la ubicación del mismo con
respecto a la prensa de troquelado para garantizar la alineación del dispositivo y evitar
errores de fabricación.
Ilustración 31 Dimensiones generales del troquel para ranura
Fuente: Autores
CILINDRO 5
CILINDRO 1
MOVIMIENTO
PUNZÓN
SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO DE CHAPA METÁLICA
POSI
CIÓ
N
INIC
IAL
SISTEMA PISADOR
CILINDRO 2
CILINDRO 3
SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DEL PEDAL
CILINDRO 4
58
La mesa de trabajo está delimitada por la placa sufridera instalada en la troqueladora.
No se tiene en cuenta la zona de la garganta de la troqueladora ya que éste espacio está
disponible para manipulación de láminas de mayor dimensión. Sin embargo, en la zona
transversal, se cuenta con un espacio disponible mayor el cual se muestra en la
ilustración 20 del numeral 4.1.
Ilustración 32 Modelo de la troqueladora. Se muestra la zona de trabajo
Fuente: Autores
Las dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora son de 515mm X 390mm X
36mm, así como se muestran a continuación:
Ilustración 33 Dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora
Fuente: Autores
Después se define la trayectoria del riel chanel con respecto al punzón de troquelado a
fin de encontrar el centro operativo del dispositivo de alimentación, facilitando la
ubicación de los componentes del sistema propuesto.
59
Ilustración 34 Ubicación de riel chanel con respecto al troquel
Fuente: Autores
7.5. SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS
En esta sección se describe el procedimiento de selección de los cilindros neumáticos
para cada una de las aplicaciones.
7.5.1. Selección de cilindro neumático para accionamiento del pedal
Este cilindro acciona el pedal que envía la señal para el accionamiento del punzón. Ya
que no se tuvo acceso al resorte de compresión del sistema de pedal, se procede a ubicar
distintas masas sobre el mismo para hallar un valor aproximado. La masa que accionó el
sistema de manera efectiva y sin retraso es de 10 Kg; por tanto, la fuerza necesaria para
poder accionar el pedal es de 100 N aproximadamente.
Se sabe que la red neumática de PH&ES tiene una presión de salida efectiva de 29 PSI
(2 Bar) con una estimación de pérdidas en todo el sistema de máximo 30%.
En el nomograma de selección de cilindro neumático que se encuentra en el anexo 9, se
muestran los valores de fuerza afectados por el rendimiento para los cilindros
neumáticos comerciales.
Entrando con el valor de la fuerza, se obtiene un diámetro de 28mm para la camisa del
cilindro, sin embargo, este diámetro no es de fabricación comercial, por este motivo se
decide utilizar un cilindro con diámetro de camisa 32mm el cual genera la fuerza
requerida y permite un factor de seguridad de 1.4. Para determinar la carrera, se realizó
la medición del desplazamiento del pedal, obteniendo un valor de 50mm.
60
Ilustración 35 Posiciones del pedal de la troqueladora
Fuente: Autores
Ahora, se realiza una comprobación de pandeo en el vástago del cilindro haciendo uso
del nomograma de estimación de la carrera máxima por pandeo que se puede observar
en el anexo 9. A partir del nomograma se puede apreciar que la carrera máxima
admisible para este tipo de cilindro es de 800mm, aproximadamente. Por lo tanto, no
hay problemas en la selección.
7.5.2. Selección de cilindro neumático pisador
Para seleccionar el cilindro neumático que se requiere para esta operación, se evalúa el
recorrido total necesario que está dado por el espesor de las láminas. La máxima altura
está dada por la lámina de calibre 14 (1,9mm) y el recorrido mínimo demandado es de
3mm, sin embargo, los dispositivos ofertados en el mercado nacional son limitados para
carreras tan cortas, siendo escasos y costosos. Por ejemplo, el cilindro de 5mm de
carrera se solicita por fabricación, y por lo tanto, aumenta el precio de compra para
minoristas.
Para esta aplicación se selecciona un cilindro neumático de diámetro 20mm y carrera de
10mm puesto que se puede adecuar a los requerimientos del dispositivo de alimentación
y se puede adquirir adaptándose al presupuesto establecido por la empresa. Además, se
propone la compra de una guía anti giro para facilitar la adaptación del soporte pisador,
proteger el vástago del cilindro y eliminar el giro.
Aunque se evalúa también la posibilidad de utilizar actuadores neumáticos de menor
dimensión, como por ejemplo, los mini cilindros, éstos suministran poca fuerza, son
menos resistentes a la manipulación y su costo es mayor, y por tanto, su uso se descarta.
Haciendo uso del nomograma de selección de cilindro para sistema pisador de chapa
metálica que se encuentra en el anexo 9, se observa que la fuerza que suministra este
cilindro neumático es de 55N. Debido a que la carrera es corta, no se requiere hacer
estimación de pandeo.
61
7.5.3. Selección de cilindro neumático para sistema de avance
Para determinar la carga que debe mover el cilindro neumático de avance, se toma como
referencia la tira de material de mayor masa (calibre 14). Observando la tabla 2, se sabe
que la chapa metálica más pesada es de 29 N, pero el peso de los componentes de
sujeción y demás, se estima inicialmente de 300 N.
Se hace uso del nomograma de selección de cilindro para sistema de avance de chapa
metálica que se encuentra en el anexo 9, en el cual se identifica que un cilindro
neumático de 25mm puede funcionar, ya que suministra la fuerza necesaria para la
aplicación específica. Sin embargo, este diámetro no es de producción estándar, y el
cilindro más próximo es el de diámetro 32mm.
Para facilitar el montaje del cilindro se utiliza una guía H con bujes de material sintético
que permite el mecanizado de nuevas perforaciones en ciertas zonas, además, soportan
cargas y momentos importantes (para el caso del cilindro seleccionado, 200N).
Las dimensiones y especificaciones de la guía seleccionada, junto con las
especificaciones del cilindro se presentan en el anexo 10.
7.5.4. Estimación de la velocidad de los cilindros
Teniendo en cuenta la presentación “Actuadores de sistemas neumáticos” de la
Universidad del país vasco9, la velocidad media del embolo en cilindros estándar está
comprendida entre 0,1m/s y 1,5 m/s. Tomando como referencia de cálculo el escenario
más crítico en la velocidad de los cilindros (0,1 m/s) y la velocidad conocida de
troquelado, se tiene:
Tabla 16 Estimación del tiempo total del ciclo de operación del sistema alimentador
VELOCIDAD
(mm/s)
CARRERA
(mm)
TIEMPO
DE
SALIDA
(s)
TIEMPO DE
RETORNO
(s)
TIEMPO
TOTAL
(s)
CILINDRO PISADOR 100 10 0,1 0,1 0,2
CILINDRO DE AVANCE 100 100 1 1 2
CILINDRO DE
ACCIONAMIENTO DE
PEDAL
100 50 0,5 0,5 1
PUNZON 250 50 0,2 0,2 0,4
TIEMPO TOTAL DE
OPERACIÓN x CICLO 2,8
Fuente: Autores
Aunque el tiempo completo del ciclo es de 2,8 segundos, se considera un aumento del
30% en operación debido a la calibración de válvulas reguladoras de caudal, es decir, el
tiempo completo de operación es de 3,6 segundos.
9ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS. Fabricación asistida por ordenador: actuadores de sistemas neumáticos. Universidad del país Vasco. {En línea}. {25 marzo de 2017}Disponible en: http://www.ehu.eus/manufacturing/docencia/361_ca.pdf
62
7.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE CABLEADO LÓGICO
Se selecciona esta forma de control ya que el uso de PLC implicaría mayor inversión y
una programación más detallada. Además, se descarta porque el ambiente de trabajo
aumenta las posibilidades de daño de la pantalla de control.
En esta sección se utilizan los principios básicos de automatización, y se presenta el
esquema general del circuito electro-neumático diseñado para ejecutar el ciclo de
trabajo especificado en la sección 7.2. El sistema propuesto se presenta en los anexos 11
y 12, esquema neumático de funcionamiento y diagrama de lógica cableada,
respectivamente.
Las ramificaciones 17, 18 y 19 del diagrama de lógica cableada corresponden a la
simulación de los estados del punzón de troquelado. Se realiza la comprobación del
sistema haciendo uso del software Festo Fluidsim.
7.7. DISEÑO DEL SOPORTE PARA EL CILINDRO DE ACCIONAMIENTO
DEL PEDAL
Para el diseño de este subsistema se hacen las mediciones del pedal de accionamiento de
la troqueladora con el fin de encontrar la posición del cilindro neumático que acciona el
punzón.
Ilustración 36 Modelado del soporte para fijación de cilindro neumático para
accionamiento del pedal
Fuente: autores
Para fijar el cilindro al pedal de accionamiento de la troqueladora, se hace uso de un
soporte basculante tipo hembra para cilindros neumáticos (anexo 10) y se instala una
horquilla en el extremo del vástago (anexo 10), estos soportes brindan la posibilidad de
giro en un plano para evitar agarrotamiento. Para la adaptación de dichos elementos, se
propone la fabricación de dos adaptadores que permiten la instalación del cilindro en la
posición requerida y anclaje al piso con chazos expansivos de ½”. Ver el anexo 13,
planimetría.
En la siguiente imagen se muestran las condiciones de giro del cilindro en el plano
mostrado:
63
Ilustración 37 Condiciones de giro del cilindro neumático del pedal
Fuente: Autores
Las dos posiciones del cilindro neumático en cuestión son las siguientes:
Ilustración 38 Posición inicial y final del cilindro neumático de accionamiento del
pedal.
Fuente: Autores
Para el diseño de las placas de anclaje del cilindro del pedal, se hace el levantamiento
metrológico del mismo para definir la posición de adaptación, que corresponde al
extremo de la palanca. Debido a que dicho extremo no tiene puntos de amarre, se
recomienda hacer cuatro perforaciones roscadas para facilitar el anclaje de los soportes
que se requieren, distribuidas de tal forma que cumplan con la norma de ubicación de