DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE TORSIÓN LONGITUDINAL CON ELEMENTOS DE SECCIÓN TRANSVERSAL RECTANGULAR PARA LA INDUSTRIA DE LA ORNAMENTACIÓN. RAUL ALBERTO SANCHEZ CARRILLO UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERÍA MECÁNICA PAMPLONA 2012
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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA PRENSA HIDRAULICA · PDF file14.3 FICHA TECNICA ... Figura 62. Elemento de sujeción prensa de tubos
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE TORSIÓN LONGITUDINAL
CON ELEMENTOS DE SECCIÓN TRANSVERSAL RECTANGULAR PARA LA
INDUSTRIA DE LA ORNAMENTACIÓN.
RAUL ALBERTO SANCHEZ CARRILLO
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA MECÁNICA
PAMPLONA
2012
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE TORSIÓN LONGITUDINAL
CON ELEMENTOS DE SECCIÓN TRANSVERSAL RECTANGULAR PARA LA
INDUSTRIA DE LA ORNAMENTACIÓN.
RAUL ALBERTO SANCHEZ CARRILLO
CÓD: 88031507
Asesor de trabajo de grado
ALBERT SUAREZ
PhD. Ingeniería Mecánica
Propuesta presentada como Trabajo de grado en la modalidad Pregrado.
Figura 13. Rodamiento de rotula o articulado…………………………………….24
Figura 14. Elementos rodantes………………………………………………………24
Figura 15. Soporte con rodamiento………………………………………………... 25
Figura 16. Soporte de rodamiento de pie partido………………………………...26
Figura 17. Soportes de pie enterizo…………………………………………………26
Figura 18. Soportes de brida triangulares y cuadrados…………………………26
Figura 19. Soporte tensor………………………………………………………….….28
Figura 20. Eje macizo………………………………………………………………….28
Figura 21. Eje hueco…………………………………………………………………...29
Figura 22. Elementos de sujeción…………………………………………….……..30
Figura 23. Motores asíncronos jaula de ardilla…………………………………...30
Figura 24. Motor de corriente continúa…………………………………………….31
Figura 25. Motor eléctrico universal………………………………………….……..32
Figura 26. Reductor de velocidad de engranes…………………………………..33
Figura 27. Cuchillas Kripal……………………………………………………………33
Figura 28. Cable………………………………………………………………………...34
Figura 29. Eje de torsión………………………………………………………………38
Figura 30. Sujetador de varilla……………………………………………………….38
Figura 31. Dado de 3/8 in……………………………………………………………...39
Figura 32. Parte posterior del dado…………………………………………………39
Figura 33. Imagen rueda dentada inicial…………………………………………...40
Figura 34. Piñón propuesto diseño inicial…………………………………………40
Figura 35. Juego piñón rueda………………………………………………………..40
Figura 36. Sistema de transmisión cadena piñón Catarina…………………….41
Figura 37. Catarina grande cadena………………………………………………… 41
Figura 38. Piñón cadena………………………………………………………………42
Figura 39. Eje a torsión………………………………………………………………..42
Figura 40. Eje simulado en Solid Works……………………………………………46
Figura 41. Varillas simuladas en Solidworks……………………………………...49
Figura 42. Motor………………………………………………………………………...53
Figura 43. Cadena………………………………………………………………………54
Figura 44. Descripción de rodamiento……………………………………………..59
Figura 49. Rodamiento de bolas UCP 211-32……………………………………..62
Figura 50. Tornillo 5/8 in grado 8.2………………………………………………….64
Figura 51. Tornillo 3/8 in grado 8.2………………………………………………….64
Figura 52. Soldadura de Arco y metal revestido……………………………….. 66
Figura 53, 54, 55. Resistencia de la soldadura……………………………………68
Figura 56. Soldadura para el eje……………………………………………………..70
Figura 57. Estructura……………………………………………………………..…....76 Figura 58. Dado en el eje……………………………………………………………...78 Figura 59. Protector de la cadena………………………………………………..….77 Figura 60. Protector del motor……………………………………………………….78 Figura 61. Motor en su ubicación……………………………………………………78 Figura 62. Elemento de sujeción prensa de tubos……………………………….79 Figura 63. Interruptor………………………………………………………………….80 Figura 64. Enchufe……………………………………………………………………..80 Figura 65. Máquina ensamblada…………………………………………………….81
INTRODUCCIÓN
En Pamplona, la industria de la ornamentación es una actividad de considerable
demanda en la región, pero su desarrollo todavía es muy artesanal y empírico.
Entre los procesos aplicados en esta actividad, existe uno muy llamativo por su
grado de esfuerzo, se trata de la torsión. Éste se aplica a elementos de sección
cuadrada y rectangular, de acero al bajo carbono, usado con mucha frecuencia en
la ornamentación para la fabricación estética de rejas, ventanas y demás
productos que ofrece esta industria y llevan este proceso. De allí, surge la
necesidad de una máquina de torsión que va cubrir esta insuficiencia, siendo una
solución viable para tecnificar este proceso.
Por tanto, el presente proyecto se propone diseñar y construir una máquina de
torsión, que tendrá en cuenta las variables involucradas en el proceso como
torsión, deflexión, ángulos de torsión y torsión en elementos no circulares. El
propósito es convertir esta técnica de ornamentación en un proceso más eficiente,
seguro y preciso.
Porque está claro que no todas las personas tienen la misma fuerza, ni la misma
forma de realizar el proceso, así que por consiguiente varía también el tiempo del
procedimiento, la precisión del mismo y el acabado del trabajo.
1. TITULO
Diseño y construcción de una máquina de torsión de elementos de sección
transversal rectangular para la industria de la ornamentación.
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1CONTEXTUALIZACIÓN
El municipio de Pamplona está ubicado en la zona suroccidental del departamento Norte de Santander, localizado geográficamente en la cordillera Oriental de los Andes colombianos, a una altitud de 2342 msnm. Su extensión territorial es de 1.176 km2 y su temperatura promedio de 16 °C. Limita al norte con Pamplonita, al sur con Cácota y Chitagá, al oriente con Labateca y al occidente con Cucutilla1.
Su economía está basada en la agricultura, el comercio informal, la educación y el turismo religioso (especialmente durante Semana Santa). Es sede del Arzobispado Romano de Nueva Pamplona y de la Universidad de Pamplona y se encuentra conectada por carreteras nacionales con Cúcuta y Bucaramanga.
Los datos de población reportados por el DANE para los diferentes censos que se
han ejecutado en Colombia, muestran para la ciudad de Pamplona la tendencia de
crecimiento a lo largo de las diferentes décadas. Según el censo ejecutado por
esa entidad en 2005, el municipio poseía un total de 52.903 habitantes2, tanto en
su cabecera municipal y sus alrededores. Con una aproximación poblacional para
2010 de 70.422 habitantes, de los cuales 34.084 corresponde al género masculino
y 36.338 al femenino.
La economía de Pamplona se basa en su agricultura, ocupando el cultivo de la
papa un primer renglón, seguido de la actividad pecuaria con la cría de bovinos y
porcinos, de la actividad comercial, es muy conocida por sus dulces y panaderías,
así como por actividad textil artesanal. Es de destacar que ésta es una ciudad
estudiantil, lo cual quizás enfocado a la industria hotelera y turismo, es
probablemente la principal actividad económica actual del municipio, donde miles
de estudiantes son albergados y alimentados, así también son los principales
consumidores en los centros nocturnos y los innumerables cibercafés que desde
hace un par de años se han proliferado por la gran demanda que poseen.
1Wikipedia, la enciclopedia libre. Pamplona (Colombia). Página web en línea. Disponible:
http://es.wikipedia.org/wiki/Pamplona_%28Colombia%29. (Consulta: 2011, Noviembre 2)
2 Departamento Administrativo Nacional de Estadística. Censo General 2005. Número de habitantes por Departamentos
y municipios.Pág.53. (Documento en línea) Disponible: http://www.dane.gov.co/censo/files/libroCenso2005nacional.pdf(Consulta: 2012, Enero 20)
También encontramos algunas empresas dedicadas a la labor de ornamentación
metálica, éstas también cuentan con varias máquinas para los diversos procesos
que allí se llevan a cabo, como el doblado de tubos, cortado y doblado de láminas,
compresores para pintura, pulidoras, equipos de soldadura y demás herramientas,
pero el proceso de torsión de las varillas de acero al bajo carbono cuadradas y las
platinas es totalmente manual o mejor dicho artesanal.
Manifestada la necesidad surge la idea de diseñar y construir una máquina de
torsión, cumpliendo con las expectativas de crecimiento y seguridad inherentes al
desarrollo de esta empresa.
En un proceso tan repetitivo, como lo es la torsión de elementos de sección
transversal rectangular barras, que se realiza en todos los talleres de
ornamentación de la región por ser una de las especificaciones del cliente que
quiere ver su reja, ventana, puerta estéticamente bien, con un excelente acabado
y sabiendo que este proceso de manufactura en frio, es realizado manualmente no
cuenta con ergonomía alguna, seguridad para el operario que realiza esta
actividad.
Para realizar la torsión, se debe tener muy en cuenta las propiedades mecánicas
de material que en este caso sería el límite de fluencia para la fuerza o torque a
aplicar y el número de giros. Al ejecutar esta actividad manualmente el material
experimenta un fenómeno llamado endurecimiento por deformación en frio, en el
cual el operario debe exigirse más, causando imprecisiones en el proceso, así
como un desalineo o flexión de la varilla. Debido a estos factores se tomó la
decisión de diseñar y construir una máquina de torsión longitudinal para elementos
de sección transversal cuadrada, con el objetivo de superar estas falencias
anteriormente mencionadas y contribuir con el desarrollo tecnológico de la región.
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cómo construir y diseñar construir una máquina de torsión longitudinal con
elementos de sección transversal rectangular para la industria de la
ornamentación en el municipio de Pamplona?.
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir una máquina de torsión longitudinal con elementos de sección
transversal rectangular para la industria de la ornamentación en el municipio de
Pamplona.
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Establecer condiciones de diseño: parámetros, ergonomía de la máquina,
que comprendan eficiencia y mantenimiento.
Analizar entre varios diseños de máquinas el más eficiente y menos
costoso.
Seleccionar y comprar de materiales, motor y sistemas que la componen.
Realizar el montaje de la máquina de torsión longitudinal.
Implementar y poner a punto la máquina de torsión.
4. JUSTIFICACIÓN
En la industria de la ornamentación, existe un aspecto muy importante en el proceso de manufactura que se le hace al acero al bajo carbono específicamente a las varillas cuadradas y acanaladas. Este proceso se denomina torsión, el cual consiste en girar la barra varias veces de forma longitudinal, lo que le da un valor agregado al producto y lo hace más vistoso al público. Por tanto, se hace muy necesario en esta empresa, aunque no se le dé la importancia que merece, obviando por completo la ergonomía, la calidad del proceso y su eficiencia. El proyecto consiste en diseñar y construir una máquina de torsión para barras de acero al bajo carbono de perfil rectangular, consiguiendo con este proyecto, agilizar los tiempos del proceso y algo muy importante que es garantizarle un proceso seguro al operario. La construcción de una máquina de torsión de barras cuadradas acanaladas y platinas, permitirá que la empresa aumente sus ganancias y ofrezca un producto mejorado e innovador en esta región, ya que este proceso es realizado empíricamente y manualmente por un operario, que a su vez, se expone a una lesión como a un alto desgaste físico, así la incursión de esta máquina en el proceso de torsión evitaría consecuencias negativas para la salud del operario y tecnificaría este proceso haciendo que la empresa crezca y desarrolle mejores productos. La máquina contará con un sistema de ajuste o dados para los diferentes calibres, de acuerdo con las medidas y sus especificaciones, el sistema de torque por medio de un sistema de piñón cadena, control de giro, y será fácil de usar y de hacer su mantenimiento.
5. ANTECEDENTES
Existen en la industria de la ornamentación diversas máquinas, que pueden servir
de referencia para la elaboración de la máquina de torsión longitudinal.
Se almacenarán en una base de datos varios diseños, para comparar y tomar una
guía con base a ellos para el diseño y elaboración de la propuesta.
A continuación se muestran unos diseños de esta máquina:
Rueda mayor de un sistema de transmisión de potencia piñón (figura 8) cadena, la cual está encargada de transmitir la potencia al eje donde se va a distribuir en las diferentes cargas que tenga que mover.
El tipo de estudio que se realizará es aplicativo, por el uso de las bases teóricas
adquiridas en el transcurso de la carrera, para diseñar y construir una máquina de
torsión longitudinal para varillas cuadradas, acanaladas y platinas de acero al bajo
carbono para la industria de la ornamentación.
8.2 MÉTODO
El método aplicado al desarrollo del proyecto es una combinación entre la teoría la
técnica y la experiencia del conocimiento popular, debido a que en el proceso se
deben comparar algunos factores con los expuestos en teoría y tomar decisiones
que encaminen el proyecto hacia un buen resultado.
Se realizará un análisis detallado, del efecto de la torsión en el acero al bajo
carbono para calcular torque que se necesita para lograr su deformación, el
número máximo de vueltas que resiste y el material antes de sufrir una
fractura.(Ferdinand P beer E. R., 2004)
También, se calculará y elegirá el sistema de transmisión de potencia adecuada,
velocidad de giro y materiales para el diseño, montaje y construcción, de dicha
máquina. (Shigley, 2002)
8.3 RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
8.3.1 Fuente primaria. Se visitaron varios talleres de ornamentación con el
objetivo de formar una idea clara de las características que requiere la máquina,
para su diseño y construcción.
8.3.2Fuentes secundarias. Se consultaron libros de diseño mecánico,
mecanismos, resistencia de materiales, catálogos y manuales de algunos
modelos.
8.4 FASES DEL PROYECTO
Preliminares. En esta fase se realiza la recolección de la información,
relevante para el desarrollo del proyecto.
Evaluación del diseño. Se ejecuta haciendo comparaciones de
funcionalidad, costos y mantenimiento en relación con los modelos ya
existentes.
Desarrollo del proyecto.
Observar el proceso de torsión.
Evaluar el par de torsión necesario para deformar plásticamente el acero al
bajo carbono usado en esta industria.
Diseño y definición de sus componentes.
Compra de componentes.
Ensamble.
Pruebas del modelo. En esta fase se prueba nuestro modelo,
especificaciones y función para la cual se diseñó.
Fase final. En esta fase la máquina de torsión longitudinal estará lista para
operar.
9. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MÁQUINA
La máquina de torsión está diseñada bajo las más exigentes normas de diseño, pensando en el desempeño y confiabilidad de su funcionamiento, servicio y eficiencia en el trabajo para el que fue diseñada. Está construida en un armazón metálico, el cual soporta el peso de los elementos
de máquina que la componen. Este armazón está formado por secciones de
perfiles angulares de (2in*2in de (3/16in)) de acero galvanizado y está unido por
medio de la soldadura eléctrica con electrodo 7018 que es muy buena por su
capacidad de adherirse haciendo esta fuerte unión. Por otra parte la máquina
cuenta con un par de porta rodamientos de 2in de diámetro interno (chumaceras)
las cuales permiten el movimiento de del eje circularmente con total libertad.
Los elementos que tiene sujetos a su estructura como el motor, el soporte de la
prensa, la prensa, están unidas con tornillería UNC de rosca ordinaria de varios
diámetros desde (7/16 in hasta 5/8in)
9.1COMPONENTES PRINCIPALES DE LA MÁQUINA
9.1.1. Eje de torsión.
Este elemento de la máquina está construido con acero 1020 (figura 29), de
propiedades mecánicas muy buenas requeridas para este trabajo y tiene un peso
de 4 kg, al estar soldado una rueda sprocket, que transmite la potencia del piño
con soldadura 7018.El eje se encuentra entre dos porta rodamientos y en su
extremo opuesto a la rueda sprocket tiene un sistema de dados, el cual tiene un
calibre diferente para torsión los elementos de perfil cuadrado que encajen en él.
Figura 29. Eje de torsión
Fuente: autor
9.1.2Elementosujetador de la varilla.
Para que se pudiera cumplir con esta función fue necesario la adaptación de una
prensa de tubos de zubi-ondo de fabricación vasca con capacidad para tubos
hasta de 8” pequeña, la cual realiza un trabajo perfecto y está sujeta por tornillería
UNC de rosca ordinaria de ½ “
Figura 30. Sujetador de varilla.
Fuente :autor
9.1.3Sistema de dado
En el extremo del eje se encuentra el sistema de dado, donde se encaja un eje
hueco de 7 cm dentro del eje principal y es sujetado por medio de tornillería
referencia (tornillería usada), es conformado por el eje de 7 cm y una copa
cuadrada comercial de (1/2” y de 3/8”)
Figura 31. Dado de 3/8in
Fuente autor
Figura 32. Parte posterior del dado
9.1.4 Sistema de transmisión de potencia piñón cadena sprocket.
Aunque en el diseño propuesto anteriormente no se había considerado este sistema de trasmisión de potencia, fue imposible de realizar su ensamble, debido a que perdía todas las normas de ergonomía y practicidad de la máquina, ya que este sistema de engranes rectos requería una ubicación demasiado incomoda que no se ajustaban para una forma de trabajo libre en el área de trabajo y tampoco permitía una visualización del elemento a torsión, siendo causa de una no conformidad que estaría en desacuerdo con la norma OHSAS numeral 4.3.1 (identificación de los peligros, valoración de riesgos y determinación de controles) . Estas son las imágenes del juego de engranajes propuestos anteriormente:
Figura 33. Imagen rueda dentada inicial.
Fuente: autor
Figura 34. Piñón propuesto diseño inicial
Fuente: autor
Figura 35. Juego piñón rueda
Fuente: autor
Es por eso que se tomó la decisión de escoger otro sistema de transmisión de
potencia que fue el sistema piño cadena Catarina que es un sistema y se decidió
trabajar con él. Esta máquina, tiene menos elementos que una caja de reducción y
además tiene menos piezas para mantenimiento, es muy eficiente para trabajar a
bajas velocidades y altos torques.
Figura 36. Sistema de transmisión cadena piñón Catarina
Fuente :autor
Figura 37. Catarina grande cadena
Fuente:autor
Figura 38. Piñón cadena.
Fuente: autor
9.2 PARTE EXPERIMENTAL
En esta sección se calcularán las fuerzas y torque necesarios para vencer el límite
plástico y elástico del material a ser sometido a una torsión, así como la selección
de los elementos o piezas que conforman la máquina de torsión.
9.2.1 Diseño del eje a torsión
Para el eje que se muestra en la (figura 39)
Figura 39. Eje a torsión
Fuente: autor
Se realiza la estimación del torque necesario para deformar por torsión un eje
hueco de acero 1020.
(1) C1= ½(d1);C2=1/2(d2).
(2) J=1/2(π)( C42-C
41)
Ecuaciones
Inicio de la cedencia
τmax=τy
(3) Ty=(τyJ)/c2
(4) Øy=(τy*L)/ c2*G
(5) Tmax=(Tp* c2)/J
(6) Tmin=(Tmax)*(C1/C2)
(7)Øf=(τy*L)/ c1*G
Deformación completamente plástica
(8) Tp= (2/3)*π*τy*(C3
2-C3
1)
Como
d1=0.039m y d2=0.048m
De (1) y (2) tenemos
C1=0.0195m y C2=0.024m
J= 2.9403*10-7m4.
El esfuerzo de fluencia a cortante τyes igual a un estimado que es (σfluencia/2)
En consecuencia τ=180Mpa; módulo de rigidez del material G= 77Mpa.