8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

REINGENIERIA Y CONSTRUCCION DE PRENSA HIDRÁULICA TIPO “C” DE CAPACIDAD DE 1.47e6 N (150 Ton) Rene Miranda Simón*, José Félix Vázquez Flores°, Tiburcio Fernández Roque+ IPN - Instituto Politécnico Nacional - www.ipn.mx ESIME - Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica SEPI – Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. México D.F. – MEXICO [email protected]* , [email protected]°, [email protected]+

RESUMEN

La empresa SANLUIS© Rassini requería de una prensa de 1.47e6 N, con la finalidad de optimizar el proceso de manufactura de perforación de muelles tipo automotriz. Dado que en el mercado no se encontró alguna prensa que cumpliera con los requerimientos del proceso, se decidió diseñar y construir la prensa para este propósito. En el presente trabajo se muestran las diferentes etapas que se llevaron acabo en el proceso de diseño y manufactura de la prensa, en donde la computadora juega un papel importante, ya que se utilizó software para dibujo, ajustes y tolerancias (CAD), software para la fabricación de algunas de las partes de la prensa que requerían maquinado con precisión - control numérico- (CAM), para el análisis estructural se utilizó CAE y finalmente para la Administración del Proyecto (fabricación de la prensa), se utilizó tecnología e infraestructura propias, y materiales nacionales logrando un bajo costo de fabricación. Finalmente la prensa permitió acelerar el proceso de manufactura en la fabricación de las muelles de la empresa SANLUIS© Rassini.

PALABRAS CLAVE: Prensa, Hidráulica, Reingeniería, Manufactura, Ensamble, Método por Elementos Finitos.

INTRODUCCIÓN

La prensa es hoy en día la máquina mas solicitada para transformar mecánicamente la materia prima con precisión, su desarrollo tecnológico va a la par de los más avanzados procesos de manufactura. El presente trabajo muestra el proceso de reingeniería que se utilizó para la fabricación de una prensa hidráulica de 1.47E6 N que se utiliza para la © fabricación de muelles del tipo automotriz por parte de la empresa SANLUIS Rassini. Este trabajo se dividió en cuatro partes que son: El diseño Mecánico, el Estructural, el Hidráulico y el Eléctrico, además de apoyarse de un paquete en la Administración de Proyectos para su manufactura.

ANTECEDENTES El proceso de manufactura a la cual nos referimos, presentaba la problemática de realizar el trabajo de perforado en una operación en caliente en donde se tenia que exponer las piezas al interior de un horno de calentamiento por un tiempo mínimo de 15 minutos y a una temperatura promedio de 500°C. Esto para lograr realizar las tres perforaciones del componente en un solo paso ya que la dureza inicial del material era de 35HRC con espesores de hasta 15.0 mm y un diámetro de perforación de 9.5 a 14.5 mm. Además para realizar esta operación se requería de 4 operadores que realizan las siguientes funciones: 1) cargar el horno, 2) descargar el horno, 3) perforar en prensa y 4) relevo de los tres anteriores por las condiciones ambientales y dificultad de operación que se tenía (ver fig. 1 izq. y der.).

Fig. 1.: Izq.- Fotografía del proceso; Der.- Dibujo de Ensamble de Muelle Automotriz FACTIBILIDAD Una vez definido el problema, se procedió a buscar una prensa en el mercado que cubriera las necesidades del proceso y adquirirla, sin embargo se tuvieron varios problemas: El primero fue de que no se encontró existe una máquina con tales características; segundo el costo de las máquinas resultó ser excesivo ya que se incluían accesorios adicionales que no se requieren y el último fue que las empresas podían fabricar la prensa pero a un costo muy alto y un tiempo de entrega relativamente grande, por lo que se decidió a fabricarla considerando que se tenía la técnica para hacerlo, así como los existencia de los materiales a nivel nacional y no considerar la exportación. Por lo anterior se procedió a efectuar el diseño, en el cual se utilizaron herramientas de CAD, además de la normatividad correspondiente, la cual incluía los dibujos, el dimensionado, ajustes, etc. Por otro lado se trabajó con los programas para fabricar algunas piezas con máquinas de control numérico (CAM). También se tiene realizó el cálculo estructural a través del Método de los Elementos Finitos (CAE) y se utilizó un paquete específico para la Administración de Proyectos, el cual consideró el aspecto financiero para la fabricación de la prensa. También se generó un cuestionario que consideró los principales características y especificaciones de la prensa (ver tabla 1) a partir de la cual se realizó el diseño de los componentes.

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Tab. 1: Característica y especificaciones de los elementos de la prensa. Tabla de Especificaciones y M ejoras Vs. O tras Prensas H idráulicas Nom bre C liente : R assini Autopartes SA de CV Fecha : Abril 10, 2006

Descripción Especificaciones Tecnicas G enerales Toneladas de Capacidad Carrera de Carro T roquel Claro libre entre Platinas Altura de la Prensa Ancho de la Prensa Profundidad de la Prensa Peso de la Prensa Ensam blada Especificaciones O peracionales Tipo Proceso Manufactura Velocidad Avance Carro T roquel Velocidad R egreso Carro Troquel Presión Punto:Alto Caudal-Baja Presión Presión Punto:Bajo Caudal-Alta Presión Potencia Hidráulica Capacidad Tanque Aceite Diseño Estructural Espesor de placa del Bastidor Material de fabricación Bastidor Soportes Alto Im pacto Peso de Conjunto Bastidor Tipo de Soldabilidad Placa Base Cilindro Diseño M ecánico Platina Inferior Platina Superior Carro T roquel G uía Carro Troquel Brida de enlace Carro T roquel Extensión de Vástago Control Carrera Cilindro Superior Control Carrera Cilindro Inferior Diseño H idráulico Potencia Hidráulica Caudal de Bom ba Hidráulica Velocidad de Avance Velocidad de Retorno Cilindro H idráulico Presión M ínim a Presión M áxim a Enfriam iento U nidad Hidráulica Diseño de Control Eléctrico Com ponentes Tablero Eléctrico Com ponentes Estación de O perador Potencia Motor Eléctrico M anufactura, Ensam ble e Instalación Diseño con Facilidad de Manufactura Diseño con Facilidad de Ensam ble Diseño con Facilidad de Mantenim iento

Capacidades O tros Fabricantes Nosotros 120 8 5 92 26 50 6

T on pulg. pulg. pulg. pulg. pulg. T on

Perforado 1,85 pulg./seg. 2,7 pulg./seg. 600 lb./pulg2 500 lb./pulg2 22,9 Kw. 600 lts. 2,5 pulg. AST M A-36 No 4 T on Baja 3 pulg. 4x24x26 2x10x16 11x12x12 3.7x12x12 3.5x7x8 5.5 x 16 No No

pulg. pulg. pulg. pulg. pulg. pulg.

31,1 Hp 74 G PM 1,85 pulg./seg. 2,7 pulg./seg. 14x8x8 pulg. 500 lb./pulg2 2500 lb./pulg2 Fluxes Agua Varios No 30 Hp No No No

150 8 5 110 31 70 9,5

Ton pulg. pulg. pulg. pulg. pulg. Ton

11 Procesos m ás 3 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 2500 lb./pulg2 2150 lb./pulg2 30,5 Kw. 850 lts. 4 pulg. ASTM A-36 Si 6,5 Ton Alta Espec. AW S 4 pulg. 4x27.5x31 4x13x20 12x12x19 3.7x12x12 5x10x12 8 x 25 Si Si

pulg. pulg. pulg. pulg. pulg. pulg.

% de M ejora 25%

20% 19% 40% 58% 1000% 62% 63%

33% 42% 60%

63% 75% 33% 37% 125% 72% 106% 127% 100% 100%

41,3 Hp 118 G PM 3 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 14x8x8 pulg. 500 lb./pulg2 2500 lb./pulg2 Air O il C ooler

100%

Eq. O riginal Siem ens Si 40 Hp

100% 100% 33%

Si Si Si

33% 59% 62% 63%

100% 100% 100%

APLICACION La aplicación será para la perforación de muelles de uso automotriz que fabrica la empresa SANLUIS© Rassini y que agilizarán los proceso de manufactura. Sin embargo la máquina puede aprovecharse para otros fines en la industria metal mecánica como son: Tab. 2: Operaciones que se pueden realizar con la prensa. Aplicaciones Formado Extracción Doblado Calibrado Perforado Corte Troquelado Remachado Forjado Prensado Despunte Destaje Avellanado Marcado Estampado Ensamble Etc. Muchas empresas de la industria metal mecánica fabrican piezas con estos procesos y con prensas de este tipo como son: la automotriz, la naval, la aeronáutica, etc., y los ejemplos se pueden dar en una gran variedad.

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PROYECTO Se desarrolla el plan y programa general del proyecto (fig. 2) utilizando un software de Administración de Proyectos [1] generando más de 500 actividades del proyecto, las cuales incluían las que ya se comentaron además de erogación de gastos, recursos, etc. Como se observa, el proceso de manufactura de un producto es cada vez más multidisciplinario y al mismo tiempo se tienen más herramientas de cómputo que facilitan el trabajo de ingeniería. A continuación se muestra una lista de los conceptos y los requerimientos generales de la prensa: Equipo Industrial: Prensa de Potencia Hidráulica Tipo “C” Capacidad Nominal: 1.47e6 N (150 ton ) Tiempo Ciclo: 4.5 seg. (13.2 ciclos por minuto) Longitud de Movimiento: 0.2m (Carrera Cilindro) Cabe comentar que la Aprobación y Liberación del Proyecto no correspondió a nuestro departamento, el departamento de calidad, que trabaja este concepto realizó la validación correspondiente.

Fig. 2: Programa general del proyecto. (2/4 hojas) 6. DISEÑO ESTRUCTURAL Para iniciar el diseño estructural se retomaron los dibujos correspondientes a la prensa en los cuales se y definieron dimensiones, tolerancias y ajustes de acuerdo a la normatividad ISO [2]. Posteriormente se procedió al modelado de la misma en un software (ANSYS) por el método de elementos finitos. El primer paso fue generar la geometría de la prensa, se continuo con la selección de los elementos, que en este caso se manejaron dos tipos Shell-63 y Beam 44 [3], con esto se procedió a generar la malla (fig. 3 izq.), se establecieron las condiciones de frontera, así como las condiciones de carga, aquí estamos hablando de la carga que ejerce la herramienta sobre el material al momento de la operación y finalmente ejecutar el cálculo correspondiente, obteniéndose lo siguiente:

Fig. 3: lado izq.: Malla final; lado der.: Nodos de los elementos. Código Articulo: 490

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En la fig. 4 izquierda, se tiene una simulación de la deformación de la prensa por la carga determinándose que es adecuada, el desplazamiento máximo que se obtuvo fue de 0.124e-5 m, la fig. 4 derecha muestra los esfuerzos en la prensa, encontrándose:

Esfuerzo mínimo (SMN) = -0.011113 Mpa (Compresión) y Esfuerzo máximo (SMX) = 200,894 Mpa (Tensión). Analizando la fig. 4 der., observamos que la parte crítica se encuentra en el interior de la “C” de la prensa (por los colores, que en este caso es el verde más intenso), lo cual también es correcto y además validado por el comportamiento en este tipo de estructuras.

Fig. 4: lado izq.: Desplazamientos ò deformaciones; Lado der.: Esfuerzos El cálculo dinámico se realizó con la ayuda del mismo paquete, sin embargo de antemano sabíamos que las frecuencias de vibración son pequeñas (ver tabla 3), lo que fue confirmado. Tabla 3: Modos y frecuencias de vibración de la prensa. Modo Frecuencia (Hz) 24.934 1 25.814 2 31.273 3 36.792 4 41.165 5 DISEÑO HIDRÁULICO. Primeramente se establecieron los caudales adecuados y necesarios para el sistema con el objeto de evitar que el sistema sufra calentamientos, caídas de presión, ruptura de mangueras, así como daños prematuros en los componentes del sistema, obviamente todo esto a través de la memoria de cálculo. Una vez hecho lo anterior se procedió a diseñar y fabricar el cilindro hidráulico, el block manifold de válvulas y el tanque de aceite (fig. 5 y 6), para posteriormente seleccionar los componentes y crear la unidad de potencia hidráulica de gran eficiencia.

Fig. 5: Izq. Memorias de cálculo; Der. Diagrama Hidráulico de la prensa.

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Es de gran importancia el diagrama hidráulico (ver fig. 5 der.) debido a que en el se muestra la estructura de funcionamiento de la prensa [4] como se comenta a continuación.

Fig. 6: Lado izq.: Diseño de cilindro, Lado der. Diseño de block manifold La unidad de potencia hidráulica de la prensa cuenta con un control que nos da una precisión que logra una gran variedad de aplicaciones, con un control de carga y velocidad de operación del 20% al 100% optimizando su uso con componentes y elementos hidráulicos de clase estándar, de bajo costo y larga vida de operación casi libres de mantenimiento. Está incorporado un sistema de control adicional en la prensa para proteger los elementos hidráulicos, generando un ahorro energía eléctrica. También se emplea un sistema de triple filtración para el control de la contaminación del aceite en la aplicación de un mantenimiento pro-activo y un intercambiador de calor de aire forzado (Air Cooler). DISEÑO MECÁNICO Los elementos mecánicos en la prensa se desarrollaron siguiendo los criterios en los estándares y normas ISO, al proyectar esta máquina se idearon los criterios y factibilidades para tener las mejores condiciones de operación. Uno de los componentes mecánicos más importantes en la prensa es la operación y control del carro troquel con sus guías (Fig. 7), la cual se consideró con ocho puntos de control y con la suficiente área de contacto. Esto asegura que cuando la prensa trabaje en su ciclo de perforado (fig. 8) se tenga el máximo control de las desalineaciones por los esfuerzos generados.

Fig. 7: Puntos de control del carro troquel.

Fig. 8: Elementos del ciclo de perforado. Ya establecidos los criterios adecuados de operación se procede al diseño de los componentes (fig. 9) de la prensa para pasar posteriormente a la manufactura y ensamble de los mismos. En esta parte es muy importante considerar los criterios de las normas sobre tolerancias geométricas, tolerancias direccionales y calidades superficiales [5], para que las piezas sean ensambladas y funcionen correctamente.

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Fig. 9: Diseño mecánico para la manufactura de partes. Las partes componentes y elementos mecánicos de la prensa; son, Platinas, Carro Troquel, Guías, Bujes, Placas, Herramientas, etc. y cuentan con las siguientes características: Dimensiones optimas de operación y funcionamiento; Materiales de alta calidad. Tolerancias geométricas y acabados superficiales; Criterios SMED. Facilidad de ensamble, operación y mantenimiento. Las platinas son de grandes dimensiones 84" x 36” Las platinas pueden ser fijas o rotacionales, con sistema de calentamiento ò enfriamiento para moldeos. Con un paralelismo máximo entre platinas de 0.015” La superficie de la platina tiene una planicidad de 0.007” Un acabado superficial de las platinas de 30 RMS. Platos de seguridad de operación de la prensa. DISEÑO ELÉCTRICO El diseño eléctrico se basó en el ciclo de trabajo que se requería, que en este caso considera el modo manual y el modo automático como ya se comentó anteriormente, esto permitió generar el diagrama eléctrico (ver fig. 10). Sin embargo era necesario cubrir tres opciones en el modo automático que son: Encendido por pedal, encendido por botones a dos manos que incluso evitan que el operador exponga las manos en el proceso y el último encendido una vez que la pieza está colocada de manera correcta, en el caso del modo manual solo son dos: Interruptores y selectores. En ambos casos se colocaron sensores de posicionamiento, con lo anterior se determinaron los consumos y potencias de los componentes con la ayuda de tablas. Finalmente se procedió al ensamble de los subsistemas.

Fig. 10: Diagrama de Control y Componentes Eléctricos

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Como se observa en el diagrama, el control de la prensa no requiere de un PLC en este caso esto es mejor porque las condiciones ambientales de trabajo de la prensa son extremas (polvo, calor, vibración). El sistema utiliza elementos con los más altos estándares en la calidad de su fabricación y gran eficiencia (Motores, Contactores, Reveladores, Tableros, Tablillas, Transformadores, Sensores, etc.).Sin embargo, la prensa es susceptible de mejorarse utilizando controles electrónicos, interfaces de computo y sistemas de monitoreo por computadora. ENSAMBLE El ensamble de la prensa se inició a partir de los sub-ensambles como son el cuerpo ó la estructura de la prensa, el cilindro hidráulico, la unidad de potencia hidráulica, el tablero de control eléctrico y las demás partes y componentes. SEGURIDAD Nuestra prensa hidráulica es segura, ya que se utilizaron controles a dos manos, protectores enlazados, así como, una cortina electrónica. Se tiene integrado otro control que esta en el sistema hidráulico el cual es eficiente y de bajo riesgo, lejos del operador, de partes en movimiento y de la generación de calor, pero que principalmente cumplen con la normatividad en seguridad industrial para equipos y prensas hidráulicas de operación manual y automática [6]. APROBACIÓN Y LIBERACIÓN El departamento de Ingeniería Industrial y Aseguramiento de la calidad, el cual realizó una producción piloto (PPAP [7]), con la que se determinó la optimización del proceso, para esto se basó con base en los métodos y procedimientos del sistema de administración de la calidad ISO/TC 16949:2002 de Rassini Planta Xalostoc, México en el control de procesos claves y de características especiales [8]. RESULTADOS (ANTES DE LAS CONCLUSIONES) De las principales características y beneficios de la prensa en SANLUIS© Rassini se tienen las siguientes: 1. Productividades altas con tasas de producción logradas de hasta 2,500 componentes por hora. 2. Producciones consistentes con criterios Six Sigma. 3. Versatilidad y Velocidades de operación para procesos de manufactura diversos. 4. La potencia ó carga máxima esta disponible y es efectiva en cualquier punto de la carrera de trabajo del carro troquel. 5. El cambio de herramientas se realiza en minutos (SMED), así como, una larga vida de las mismas. 6. Bajo nivel de ruido de operación de la prensa. 7. Sistemas integrales de seguridad máxima (ANSI B 11.2) 8. Construcción robusta para dar una insuperable longevidad. 9. Facilidad y el costo más bajo de mantenimiento, con elementos libres de mantenimiento y no se requiere de un pequeño almacén de partes y refacciones. 10. Sellos y empaques de cilindro en perfiles y materiales especiales para alta temperatura y velocidad. 11. Facilidad de operación y automatización. CONCLUSIONES La fabricación de la prensa optimizó el proceso de manufactura en la fabricación de las muelles de la empresa SANLUIS© Rassini, en la cual se logró un incremento en la productividad en un 300% y que fue validado por el departamento de aseguramiento de la calidad e Ingeniería Industrial. Se abarató el costo de fabricación eliminando el consumo de combustible para el calentamiento de las muelles, reduciendo la mano de obra directa (MOD) y demostrando la capacidad de ingeniería de la planta.

REFERENCIAS 1.

Microsoft Office Project Professional 2003

2.

International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Technical drawings, TC Standards 10, pp. 19. 1986. ISO 128-1982 Technical drawings - General principles of presentation.

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ISO 129-1985

3.

Technical drawings - Dimensioning - General principles, definitions, methods for execution and special indications. ISO 406-1982 Technical drawings - Linear and angular tolerancing - indications on drawings. ISO 1101-1983 Technical drawings - Geometrical tolerancing - tolerancing of form orientation location and run-out - Generalities, definitions, symbols, indications on drawings. ISO 1101/2-1983 Technical drawings -Tolerances of form and of position -Part II: Maximum material principle. ISO 1302-1978 Technical drawings - Method of indicating surface texture on drawings. ISO 1660-1982 Technical drawings - Dimensioning and tolerancing of profiles. ISO 3098/1-1974 Technical drawings - Lettering - Part Y: Currently used characters. ISO 5455-1979 Technical drawings - Scales. ISO 5457-1980 Technical drawings - Sizes and layout of drawings sheets. ANSYS, Inc. is a UL registered ISO 9001:2000 Company, Software ANSYS Release 9.0, Products ANSYS Multiphysics, Element reference > Part I > Element library, 2004. SHELL63 - Elastic Shell. BEAM44 - 3-D Elastic Tapered Unsymmetric Beam.

4.

International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Fluid Power Systems, TC Standards 131, pp. 251. 1986. ISO 1219-1:1991 Fluid Power Systems, Graphic symbols American National Standards Institute (ANSI), ANSI AS 1101.1-1991 Graphics symbols for general engineering – hydraulics and pneumatic systems.

5.

Oberg, D. Jones, Horton & Ryffel, Industrial Press Inc. New York, 26th Edition Machinery’s Handbook,

6.

ANSI B11 Subcommittees, American National Standards Institute (ANSI), www.webstore.ansi.org,

7. 8.

ANSI B11.2-1995, Hydraulics Power Press – Safety Requirements for Construction, Care, and Use. Proceso de Aprobación de Partes para Producción (PPAP) Gerencia de Operaciones, Rassini Planta Xalostoc, Procedimiento Especifico para la Calificación de Procesos y Equipos, Código RX/GO/II/05/002. www.sanluisrassini.com

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