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. Pregrado en Ingeniería Mecánica.

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERÍA MECÁNICA PAMPLONA 2012

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 9 1.TITULO ............................................................................................................... 10 2.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 12 2.1CONTEXTUALIZACIÓN………………………………………………………… ..12 2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................12 3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 13 3.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 13 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................13 4. JUSTIFICACIÓN……………...………………………………………………………14 5. ANTECEDENTES…………………………………………………………………….15 6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ........................................... 14 6.1 ALCANCES DEL PROYECTO ........................................................................ 16 6.2 LIMITACIONES DEL PROYECTO. ................................................................. 16 7. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 17 7.1 HISTORIA DEL HIERRO .................................................................................17 7.2 ACERO ............................................................................................................19 7.2.1 Clases de acero. ..........................................................................................19 7.3 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA A TRAVÉS DE CADENA DE RODILLOS……………………………………………………………….………….20 7.3.1 Componentes de una cadena de rodillos………………………………...…21 7.4 RODAMIENTOS .............................................................................................. 22 7.4.1 Clases de Rodamientos ..............................................................................22

7.4.2Soporte de rodamientos………………………………………………………..26 7.5 EJES................................................................................................................ 28 7.5.1 Ejes huecos .................................................................................................30 7.6 ELEMENTOS DE SUJECIÓN ......................................................................... 30 7.7 MOTORES ELÉCTRICOS ............................................................................... 31 7.7.1 Motores de corriente alterna…………………………………………………..31 7.7.2Motores de corriente continúa………………………………………….……...32 7.7.3 Motores universales AC/DC……………………………………………………32 7.8 REDUCTOR DE VELOCIDAD………………………………………………….....33 7.9 SISTEMA ELECTRICO…………………………………………………………….34 7.9.1 Interruptor…………………………………………………………………………34 7.9.2 Cable……………………………………………………………………………….35 8. METODOLOGÍA………………………………………………………………………36 8.1 TIPO DE ESTUDIO………………………………………………………………….36 8.2 MÉTODO……………………………………………………………………………..36 8.3.1 Fuente primaria…………………………………………………………………..36 8.3.2Fuentes secundarias. …………………...………………………………………36 8.4 FASES DEL PROYECTO………………………………………………………….37 9. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MÁQUINA……………………………………38 9.1COMPONENTES PRINCIPALES DE LA MÁQUINA……………………………38 9.1.1. Eje torsionador…………………………………………………………………..38 9.1.2Elemento sujetador de la varilla………………………………………………39 9.1.3Sistema de dado………………………………………………………………….38 9.1.4 Sistema de transmisión de potencia piñón cadena sprocket…………...40

9.2 PARTE EXPERIMENTAL…………………………………………………………43 9.2.1 Diseño del eje a torsión………………………………………………………...43 9.2.2 Cálculos para conseguir el torque necesario para torsionar el material……………………………………………………………………48 9.2.3 Cálculos para encontrar la potencia de motor……………………………..53 9.3 MOTOR……………………………………………………………………………….53 9.3.1 Características del motor ……………….…………………………………….53 9.4 DISEÑO PARA LA SELECCIÓN DEL SISTEMA CADENA Y CATARINA………………………………………………….………………………..…..54 9.4.1 Cálculos para seleccionar la cadena ………………..………………………54 9.4.2 Diseño de transmisión de cadenas…………………………………………..58 9.5 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS………………………………………….60 9.6 SELECCIÓN DE TORNILLOS………………………………………………….…64 9.7 ANALISIS DE SOLDADURA……………………………………………………...68 9.7.1 Análisis de soldadura de la estructura……………………………………....68 9.7.2 Análisis de soldadura para el eje……………………………………………..70 10. MOGATE Y PUESTA A PUNTO…………………………………………………..76 11 PRESUPUESTO……………………………………………………………………..82 12. CONCLUSIONES…………………………………………………………………...85 13 RECOMENDACIONES…………………………………………………………...…86 14 ANEXOS………………………………………………………………………………87 14. 1 PLANOS……………………………………………………………………………87 14.2 CATALOGO DE PORTA RODAMIENTOS…………………………………….93 14.3 FICHA TECNICA………………………………………………………………..…94 14.4 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO……………………….……95 15. RECURSOS………………………………………………………………………….97

15.1 RECURSOS HUMANOS………………………………………………………….97 15.2 RECURSOS INSTITUCIONALES……………………………………………….97 15.3 RECURSOS FINANCIEROS…….……………………………………………….97 16. CRONOGRAMA…………………………………………………………………….98 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….99

TABLA DE IMAGÉNES

Figura 1.Máster twister…………………………………………………….……….... 14 Figura 2.Twisting machine MT 500 …………………………………………………14 Figura 3. Torsión Longitudinal……………………………………………………….16 Figura 4. Simulación torsión…………………………………………………………17 Figura 5. Máquina de torsión MT 150………………………………….…………….17 Figura 6. Componentes de la cadena de rodillos………………………….……...20 Figura 7. Piñones……………………………………………………………………….20 Figura 8. Catarina………………………………………………………………………21 Figura 9. Rodamientos radiales………………………………………………….…..22 Figura 10. Rodamiento axial………………………………………………………….22 Figura 11. Rodamientos de contacto ángulo……………………………………...23 Figura12. Rodamientos rígidos ……………………………………………………..23 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 Cucutilla 1. 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.

1

Wikipedia, la enciclopedia libre. Pamplona (Colombia). Página web http://es.wikipedia.org/wiki/Pamplona_%28Colombia%29. (Consulta: 2011, Noviembre 2) 2

en

línea.

Disponible:

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: Figura 1. Máster twister

Fuente: http://i1.ytimg.com/vi/0JtyPl2nr0Q/default.jpg

Figura 2.Twisting machine MT 500

Fuente: http://www.nargesaonline.com/pdf_es/Manual

6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

6.1 ALCANCES. Diseño y construcción de una máquina de torsión longitudinal para barras de sección transversal rectangular, para la industria de la ornamentación, donde se aplicarán y pondrán en práctica los conceptos de diseño, diseño asistido por computador y simulaciones, con la ayuda de diferentes software como: Solid-edge V20, Solid-works y Rinhoceros.

6.2 LIMITACIONES. La máquina de torsión longitudinal para barras de sección transversal rectangular, solo trabajará para longitudes entre 30(cm) y 1.20 (m), de acero al bajo carbono que es el material usado en esta empresa.

7. MARCO TEÓRICO

7.1 HISTORIA DEL HIERRO Desde que el hombre descubrió el hierro, siempre ha tenido la curiosidad y la necesidad de moldearlo de acuerdo a sus necesidades, ya sean con un fin de desarrollo tecnológico o bélico. “El descubrimiento y trabajo de este material, hizo cambiar totalmente nuestra forma de vivir en este planeta. No se sabe a ciencia cierta en que año se descubrió el acero pero se tiene registros que los egipcios nombraban la existencia de recipientes de este material1700 años A.C”3 siendo un material de gran trascendencia en la vida nuestra ya sea como herramienta o accesorio, siempre que se pueda moldear a nuestras necesidades y gustos. De esta manera, a medida que evolucionó la tecnología, también cambió y mejoró la forma de moldear, modelar y forjar este material, permitiendo tomar muchas formas y aplicaciones, se dieron toques de arte o motivos diferentes cada vez más vistosos. Una rama que trabaja con este material se denomina ornamentación. Consiste en la creación de elementos de hierro con una forma agradable y armoniosa con el entorno. En la figura 1, se observa una forma muy particular de dar forma al hierro por medio de la torsión longitudinal. Figura 3. Torsión Longitudinal

Fuente: http://www.nargesaonline.com/Manual_Torsionadora

3

ENCICLOPEDIA UNIVERSAL SOPENA. Historia del hierro, Tomo IV, Barcelona 1952.

Para lograr este trabajo en frio, es necesario la construcción de una máquina de torsión longitudinal, la cual trabajará con un sistema de transmisión de potencia de piñón cadena, reducción de velocidad, resistencia de los elementos de máquina a tener contacto con el hierro, ecuaciones de torsión para el material a tratar por su alto grado de dureza y resistencia (Kalpackjian, 2002) En la figura 4, se aprecia como se ve un elemento cuadrado sometido a torsión y como se deforma. Figura 4. Simulación torsión

Fuente: http://home.gna.org/getfem/images/torsion034.png

Para lograr que el acero al bajo carbono tome esta forma es necesario trabajar con materiales lo suficientemente resistentes, esto significa de alta dureza por su gran exposición a pares de fuerzas y tener que vencerlos sin mayor problema y de manera rápida. Esto implica unas consideraciones muy importantes como el costo de los materiales, facilidad de acceso a ellos, que variedad hay en el mercado. En la figura 3 se puede ver un modelo consultado. (Kalpackjian, 2002) Figura 5. Máquina de torsión MT 150A

Fuente:http://www.nargesa.com/flash/pdfs/torsionadora_mt150r_spa.pdf

Esta máquina está expuesta a grandes fuerzas, debe tener un fácil uso y mantenimiento de sus partes mecánicas como sus partes eléctricas, pues trabajará en base un motor eléctrico. (Shigley, 2002). 7.2. ACERO El acero consiste en la mezcla de hierro Fe con carbono C que al unirse con una concentración menor al 0.2% de carbono procede a llamarse acero, si el contenido de carbono es mayor al 0.2% se denomina aleación. (Giraldo, 2009) 7.2.1. Clases de Acero Los aceros se dividen de acuerdo al contenido de carbono. Existen: Aceros estructurales al carbono. Extra-dulces 0.00-0.15%C Dulce 0.15-0.30%C Medio-duce 0.30-0.40%C Medio-duro 0.40-0.60%C Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación. Estos son aceros micro-aleados. Aceros al carbono para herramientas y matrices. Tenaces 0.5-0.7%C Duros resistentes al desgaste y tenaces, 0.7-1.0%C Alta dureza y baja tenacidad 1.0-1.4%C Aceros aleados para herramientas y para matrices. Aceros para trabajo e frio o indeformable Acero resistente al impacto Aceros rápidos Aceros para trabajo en caliente Aceros para usos especiales Inoxidables Resistentes a la oxidación a alta temperatura Resistentes al desgaste Para muelles Para usos eléctricos y magnéticos

7.3 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIAA TRAVÉS DE CADENA DE RODILLOS La transmisión de potencia a través del sistema cadena de rodillos es una de las mejores formas de transmisión debido a su baja fricción entre la cadena y la Catarina, también la relación constante de velocidad, su larga duración y así como la capacidad de mover varios ejes desde un solo punto o fuente de potencia motriz a bajas velocidades, son tolerantes al calor y es muy fácil su mantenimiento. Las cadenas de rodillos no necesitan tensión en su lado flojo, de esta manera se aplica menos carga en los cojinetes de los ejes de transmisión que en los usados por bandas o correas Las cadenas de rodillos están clasificadas según las normas internacionales ANSI de acuerdo a sus tamaños y la potencia transmitir. Estas cadenas se fabrican en 1,2 ,3 y 4 cordones debido a las necesidades del diseño y a su complejidad. (Shigley, 2002) 7.3.1 Componentes de una cadena de rodillos. En la figura 6 se muestra los componentes de una cadena de rodillos sencilla. Figura 6. Componentes de la cadena de rodillos

Fuente: http://www.rexnord.eu/fileadmin/Link_Belt_EU/docs/LinkBelt_SP.pdf

-Piñones Son los encargados de transmitir la potencia del eje del motor a la cadena y esta luego a la Catarina.

En la figura 7 se muestra un piñón frontal y posteriormente. Figura 7. Piñones

Fuente: http://miblogmk52010.blogspot.com/

-Catarina 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. Figura 8. Catarina

Fuente: http://mecanismos1b.blogspot.com/2010/05/engranajes_10.html

7.4RODAMIENTOS Los rodamientos son piezas de acero aleado con cromo, manganeso y molibdeno para obtener una pieza muy dura resistente al desgaste y a la fatiga. Son elementos mecánicos muy importantes que hacen posible la reducción de la fricción entre un eje y los elementos conectados a él, ya sean engranes, poleas, correas o cadenas. Los rodamientos están diseñados para cargas axiles, radiales y combinadas. 7.4.1 Clases de Rodamientos Hay rodamientos muy variados para una aplicaciones diversas y es muy importante elegir el rodamiento preciso teniendo en cuenta factores como: Costo, facilidad de montaje, vida útil, dimensiones generales, disponibilidad de repuestos y tipo de lubricación. Básicamente existen tres formas de clasificar un rodamiento, por la dirección de la carga que mejor soporta, según la rigidez del rodamiento, según el elemento rodante. -Según la dirección de la carga que mejor soporta. Rodamientos radiales Son aquellos que están diseñados para soportar cargas perpendiculares al eje y permiten la movilidad interna de este (figura 9). Consta alrededor de tres piezas aro exterior, aro interior y un elemento rodante con una canastilla que separa los elementos rodantes. Figura 9. Rodamientos radiales

Fuente: http://www.nachi.de/15-3-rodamientos-radiales.html

Rodamientos axiales Son aquellos que están fabricados para resistir cargas en la misma dirección que el eje (figura 10) se ve un corte transversal de un rodamiento axial. Figura 10. Rodamiento axial

Fuente: http://www.nskeurope.es/cps/rde/xchg/eu_es/hs.xsl/rodamientos-de-bolas-de-empuje-oaxiales.html

Rodamientos de contacto angular Son una mezcla entre los diseños anteriores, se basa en un diseño parecido al radial con una forma especial en los aros interior y exterior para soportar cargas axiales, mayores a un rodamiento radial simple (figura 11). Sus aplicaciones son muy amplias por su versatilidad. Figura 11. Rodamientos de contacto ángulo

Fuente: http://www.nskeurope.es/cps/rde/xchg/eu_es/hs.xsl/rodamientos-de-bolas-de-contactoangular.html

-Según la rigidez del rodamiento Rodamientos rígidos Los rodamientos rígidos (figura 12), Son aquellos que no permiten el deslizamiento del eje, si se efectúa un deslizamiento es posible que las cargas dañen el rodamiento. Figura12. Rodamientos rígidos

Fuente: http://www.rodaunion.es/suministrosindustriales/subfamilias/familia/10/subfamilia/11.html

Rodamiento rotulado Se caracterizan por tener un diseño especial en sus aros (figura) que hacen posible que el eje gire algunos grados sin que se desarme el rodamiento. Figura 13. Rodamiento de rotula o articulado

Fuente:http://alexmotocicletas.blogspot.com/2009_04_01_archive.html

-Según el Elemento Rodante Existen varios elementos rodantes que forman un rodamiento (figura 14) y esto es de acuerdo también a su aplicación, existen bolas dentro de un rodamiento este tipo se usa para cargas livianas y medias. Para cargas más pesadas se necesita rodillos y barriletes, en cargas axiales se utilizan conocen algunos casos donde el espacio es reducido se utilizan agujas que son cilindros alagados con diámetros pequeños. Figura 14. Elementos rodantes

Fuente:http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/roda/roda4.html

7.4.2Soporte de rodamientos. Como su propio nombre lo indica su función es la soportar o sostener los rodamientos (figura 15), evitando una falla en su funcionamiento, o haciendo más alto el consumo de energía que tiene que hacer el eje, para vencer la fricción, por esta razón aparte de que se asegura a la estructura y fija el rodamiento que allí se aloje. Figura 15. Soporte con rodamiento

Fuente: http://www.jocartransmisiones.com/PDF's/15-Soportes%20con%20rodamiento.pdf

Existen varias clases de soportes con rodamientos en el mercado. Éstos son algunos de los más usados por la industria. Es un soporte que se encuentra desde rodillos hasta rotula, alta rigidez debido a los cuerpos de soportes optimizados. Figura 16.Soporte de rodamiento de pie partido

Fuente: http://www.directindustry.es/prod/ntn-snr/soportes-cojinetes-de-pie-partido-a-medida-8884430407.html

-Soportes de pie enterizo Los soportes enterizos son capaces de soportar altas cargas, que actúan en varios sentidos y no solamente a la superficie de apoyo figura (17). Figura 17. Soportes de pie enterizo

Fuente:http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/imageViewerJs.jsp?image=2200f19.gif &file=2_9_1&maincatalogue=1&lang=es

-Soporte de brida Los soportes de brida constan de un agujero, para el eje y una tapa que esta atornillada, se fabrican en 2 diseños (figura 18). De acuerdo al tamaño se escoge la geometría si el tamaño es menor de 13 se usan soportes cuadrados, si el tamaño es mayor de 15 se usan cuadradas. Figura 18. Soportes de brida triangulares y cuadrados

Fuente:http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/imageViewerJs.jsp?image=7225_f01.j pg&file=2_12_1&maincatalogue=1&lang=es

-Soportes tensores Estos soportes se han diseñado especialmente para transportadores de correas, se pueden utilizar con rodamientos de rodillos a rotulas y se han diseñado para rodamientos sobre manguitos de fijación y ejes lisos con un diámetro entre los (50 y 400) mm (figura 19).

Figura 19. Soporte tensor

Fuente:http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/imageViewerJs.jsp?image=2200f22.gif &file=2_14_1&maincatalogue=1&lang=es

7.5 EJES Los ejes como en la (figura 20) pueden fabricarce en aceros SAE 1035,(DIN Ck35, SKF 037, BS en 5 AFNORXC35, API H40 O SAE 1040). Estos aceros son para temple en aceite o agua y también para temple por inducción. Sus principales aplicaciones son para piezas de máquinas relativamente simples.(the black book, skf steel) (Granados, 2008) Existen dos clases de ejes muy populares en el mercado que son ejes macizos y ejes huecos. Figura 20. Eje macizo

Fuente: http://www.sbslot.es/product_info.php?manufacturers_id=10&products_id=97

7.5.1 Ejes huecos Los ejes huecos reducen el peso y a su vez permiten la circulación de fluidos refrigerantes y lubricantes (figura 21). Para ejes sencillos y pequeños se dispone de tubos sin costura de pared gruesa. En los ejes huecos, es necesario usar elementos de sujeción como collarines, manzanas ahusadas, y verificar su balance, claro está si va a girar a altas velocidades. (Shigley, 2002) Figura 21. Eje hueco.

Fuente: http://www.sbslot.es/popup_image.php?pID=96

7.6 ELEMENTOS DE SUJECIÓN Tal y como su nombre lo indica, su función es la sujetar las máquinas o fijarlas a su posición de trabajo, y en algunos casos permite cierto movimiento en forma de guía (figura 22). También, no sólo puede sujetar la pieza sino que puede sujetar la herramienta como el caso del buril o puede fijar la pieza como el usillo. Básicamente, se ubican en las partes estratégicas de las máquinas, su función es muy importante, y viene en geometrías muy diversas.

Figura 22. Elementos de sujeción

Fuente: http://www.directindustry.es/prod/hilma-romheld/sistemas-de-sujecion-y-de-montaje-24653408217.html

7.7 MOTORES ELÉCTRICOS Los motores eléctricos son máquinas rotativas eléctricas, que transforman la energía eléctrica en energía mecánica o viceversa, en donde además, la energía mecánica a través de un generador se transforma en energía eléctrica. Los motores eléctricos se clasifican en modo de uso, la clase de corriente que demandan y algunas características de tipo mecánico. En general se dividen en: 7.7.1 Motores de corriente alterna Son usados principalmente en la industria y el más usado es el motor trifásico asíncrono de jaula de ardilla (figura 23). Figura 23. Motores asíncronos jaula de ardilla

Fuente: http://www.bobinadoscolba.com/bomba-motor.html

7.7.2Motores de corriente continúa Su aplicación es trabajar en operaciones, en las que se necesita precisión en la velocidad o su variación, así como fácil control, monta cargas, grúas, cizalladoras, en la industria del papel y aplicaciones donde se necesite un par constante a velocidades diferentes (figura 24). Figura 24. Motor de corriente continúa

Fuente: http://spanish.alibaba.com/product-gs/dc-motor-for-battery-electric-forklift-truck429414969.html

7.7.3 Motores universales AC/DC Se caracterizan por usar corriente alterna y directa, posee un par de arranque muy elevado, su velocidad es proporcional a la corriente y es muy usado en las herramientas manuales y electrodomésticos. Como por ejemplo, un motor de corriente universal (figura 25).

Figura 25. Motor eléctrico universal

Fuente: http://www.directindustry.es/prod/johnson-motor-saia-motor/motores-electricos-universales665-470397.html

7.8 REDUCTOR DE VELOCIDAD Los reductores de velocidad (figura 26) son necesarios cuando la velocidad del motor es muy alta y se requiere una velocidad adecuada para las máquinas o sus componentes. De esta manera se controla no solo la velocidad sino también la potencia. En algunas empresas son utilizados otros métodos para la reducción de velocidad en poleas, trenes de engranes, correas o cadenas los reductores brindan una serie de beneficio como los siguientes: Regularidad perfecta en la velocidad y en su transmisión de potencia. Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el mantenimiento. Menor espacio recorrido y mayor rigidez en el montaje.

Figura26. Reductor de velocidad de engranes

Fuente: http://www.atcorgeryma.com/ficha/9/reductores_varvel/reductores_varvel_rc

7.9 SISTEMA ELECTRICO 7.9.1Interruptor El sistema eléctrico, es el encargado de controlar el flujo de la corriente de la fuente al motor que funciona con electricidad, existen varias clases de sistemas, desde tacos acuchillas. Figura 27. Cuchillas Kripal

Fuente: http://www.dic.com.co/catalogos/dimelectrico/galeria.swf

7.9.2 Cable El cable o conductor es el encargado de transportar la corriente de la fuente al motor, de acuerdo a la corriente que transporta y su amperaje tiene su clasificación con su aplicación, si se usan en la vivienda, comercio, industria y en la construcción de bovinas.

Figura 28. Cable

Fuente: http://spanish.alibaba.com/product-gs/hot-sale-rubber-sheathed-flexible-cable454040312.html

8. METODOLOGÍA

8.1 TIPO DE ESTUDIO 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-C41) 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*(C32-C31) 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. Propiedades mecánicas del material. Tabla 1. Propiedades mecánicas del material.

Fuente: http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201020.pdf

Torque necesario para comenzar la torsión Tp (7) Tp=(τy*J)/C2 Tp= ((180*106pa*)(2.9403*10-7)m4)/(0.024m) Tp= 2.205KN*m (6) τmin= τmax*(C1/C2) τmin= ((180*106)*(0.039m)/(0.048m)

τmin=146.25Mpa Encontramos el ángulo inicial de la deformación inicial. (4) Øy= (τy*L)/ c2*G Øy= (180*106pa)*(0.039m)/(0.024m)(77*109pa) Øy= 0.03798rad Øy= 2,17º Torque máximo cuando comienza la deformación plástica. (8) Tp= (2/3)*π*τy*(C32-C31) Tp= (2/3)*π*180Mpa((C2=0.024m)3-(0.039m)3) Tp= 2.416KN*m Ángulo en el cual indica la deformación plástica. Øf= (τy*L)/ c1*G Øf= ((180Mpa)*(0.39m))/(0.019)*(77Mpa)) Øf=0.04675 rad Øf= 2.67º Por último, encontramos los esfuerzos residuales y ángulo de giro permanente después de ser aplicado un torque Tp= 2.416KN*m. Despejando (5) τmax=(Tp* c2)/J Encontramos los esfuerzos cortante máximo y esfuerzo cortante mínimo (5) τmax= ((2.416KN*m)* (0.024m))/( 2.9403*10-7m4) τmax=197.22Mpa

Esfuerzo cortante mínimo. (6) τmin= τmax*(C1/C2) τmin= (197.22Mpa) *(0.019/0.024m). τmin= 160.24Mpa Ángulo de giro (9) Ø´=Tp (*L)/J*G Ø´= ((2.416KN*m)*(0.39m))/((2.9403*10-7)m4)*(77Mpa)) Ø´= 0.04162rad Ø´= 2.33º Restando las direcciones de los esfuerzos encontramos los esfuerzos y deformaciones permanentes después de aplicar dicho par de torsión. (10) τypermanente 1=τy-τmin τypermanente 1= 180Mpa-160Mpa τypermanente 1=+19.76Mpa τypermanente 2=-17.22Mpa Ángulo de torsión permanente Øp= Ø´-Øf Øp= (2.33º-2.67º) Y concluimos que los esfuerzos permanentes en los diámetros de nuestro eje hueco son: (11) τ1= 19.76Mpa (12) τ2 = 17.22Mpa Luego de encontrar el torque necesario para iniciar una deformación lo usamos y por medio de una simulación con un software de diseño llamado Solid Works, donde visualmente podemos observar el comportamiento del eje cuando es sometido a este par (figura 40) y nos indica el esfuerzo al cual está sometido.

Figura 40. Eje simulado en Solid Works

Fuente: autor

Se observa que el esfuerzo se localiza en la parte externa del eje como lo indica en el capítulo de torsión de la beerjhoston y que se necesita un par mayor o igual al iterado en el software para su deformación. Acá están las especificaciones de mayado referentes al eje en la tabla 2.

Tabla 2.

Fuente: autor

9.2.2 Cálculos para conseguir el torque necesario para torsionar el material Se dice que para el τy hoy un estimado que es (σfluencia/2) de esta manera por la tabla 1 Encontramos que. τy= (σfluencia/2) τy= (235 Mpa)/2 τy=117.5 Mpa Utilizando las ecuaciones de torsión para elementos de sección transversal cuadrada decimos hacemos. Lo valores c1, a, b se encuentran en la tabla de los coeficientes para barras rectangulares en torsión. (Tabla 3)

Tabla 3.coeficientes para barras rectangulares en torsión. a/b

c1

c2

1

0.208

0.1406

1.2

0.219

0.1661

1.5

0.231

0.1958

2

0.246

0.229

2.5

0.258

0.249

3

0.267

0.263

4

0.282

0.281

5

0.291

0.291

10

0.231

0.312

∞

0.333

.0333

Fuente: Ferdinand P beer, E. R. (2004). MECÁNICA DE MATERIALES. McGraw-Hill.

Despejando el torque de (13) τmax= T/c1*a*b2 117.5Mpa=T/ (0.0208)*(25.2*10-3m)*(25.4*10-3m)2 T= 400.5N*m De esta manera se encuentra el torque necesario para vencer el límite de fluencia a cortante del material y causar una deformación. Se hacen unas simulaciones para varias longitudes con este valor teórico y observamos su comportamiento (figuras 41).

Para 0.3m Figura 41. Varillas simuladas en Solidworks.

Fuente: autor

Para 0.4m

Fuente: autor

Para 0.6m

Fuente: autor

Para 0.8m

Fuente: autor

Para 1.2m

Fuente: autor

Especificaciones de mayado para la varilla Tabla 4:

Fuente: autor

9.2.3 Cálculos para encontrar la potencia de motor. Para encontrar la potencia del motor se debe tener en cuenta las propiedades mecánicas del material, consignados en la Tabla 1. Con el torque necesario para hacer torsión a la varilla de acero con bajo contenido de carbono procedemos a calcular la potencia del motor. H=potencia. T= Torque necesario para la torsión de la varilla cuadrada de 1 in2 n= número de revoluciones por minuto rpm.

T= 400.5N*m. .

Multiplicando H por un factor de seguridad Obtenemos una potencia de salida 9.3 MOTOR El motor elegido es un motor reductor de caja de engranajes reutilizado (figura 42), conseguido de segunda mano en una chatarrería y después de hacérsele una inspección, fue necesario realizar un mantenimiento centrado en la limpieza, lubricación y un acople adecuado de sus empalmes en lo referente al cableado de su parte eléctrica. 9.3.1 Características del motor Marca: US VARIABLE MOTORS. Revoluciones: 1750 rpm. Aumento: de 1hp a 3hp. Revoluciones de reducción: mínimas: 17rpm y máximas: 166 rpm. Motor reductor trifásico: 230V a 460V Amperaje: 2.6A a 4.3A Factor de seguridad: 1,5 Clase de aislamiento K Frecuencia: 60Hz Figura 42. Motor

Fuente.autor

9.4 DISEÑO PARA LA SELECCIÓN DE EL SISTEMA CADENA Y CATARINA. Los sistemas de transmisión de potencia a través de cadenas, es uno de los mecanismos más seguros, duraderos y económicos, que pueden usarse para este fin (figura 43). En este caso, fue preciso usar este sistema ya que por su óptimo funcionamiento, fácil ensamblaje y pocas piezas lo hace el más acertado para esta labor, ofreciendo también un mantenimiento sesillo y fácil lubricación. 9.4.1 Cálculos para seleccionar la cadena Figura 43. Cadena

Fuente: autor

(14) ecuación potencia de diseño para el motor. 1

(15) relación deseada en rpm

Ir a la tabla 5 y la tabla 6 para determinar la potencia de la cadena para la selección del paso y el número de dientes del piñón. Consigo el número de dientes correspondientes al sprocket de mayor diámetro. N2= número de dientes del sproket de mayor diámetro. N1= número de dientes del sproket de menor diámetro. (16)

Caculo de la velocidad de salida (17) Calculo de los diámetros de paso de los sprockets.

Definir la distancia nominal de centros Se usa la parte media del intervalo recomendado (entre 30 y 50) Calcular la longitud en pasos necesaria.

Par el C real ahora encontramos el valor teórico. mott

Calcular el angulo de contacto con cada catarina no menor a 120° Para el esprocket pequeño (21)

mott

Para el esprocket grande (22)

mott

Tabla 5. Tamaños de cadenas de rodillos

Fuente: Shigley, J. E. (2002). DISEÑO EN INGENIERIA MACÁNICA. McGraw-Hill.

9.4.2Diseño de transmisión de cadenas Es necesario tener en cuenta los siguientes factores para diseñar una trasmisión una cadena. 1) Fatiga entre la maya exterior y la maya interior debido a las tensiones repetitivas a la que es sometida. 2) Por el impacto causado en los rodillos debido al empalme con el sprocket grande o por que la cadena puede montarse en los dientes de dicha rueda y al ser tensionados impacta fuertemente.

3) La abrasión creada entre el perno y su buje en cada eslabón crea una especie de deformación en el material que se va a manifestar en un mal funcionamiento y el rompimiento de la cadena. Teniendo en cuenta las variables como el paso, el tamaño y la velocidad angular del piñón y siguiendo las indicaciones de lubricación recomendadas por la casa fabricante con base en las especificaciones anteriormente mencionadas y con su respectivo factor de servicio en este caso se estima que la transmisión cuenta con una capacidad de unas 15000(h) de trabajo. Debido a que trabaja a una velocidad relativamente baja y no se va trabajar en condiciones en las cuales sea forzada pues el material y su calibre están especificados. Como en este caso la cadena elegida fue una cadena sencilla su factor de servicio es 1.3 por ser impulsada por un motor eléctrico. Sin embargo, se observaron las siguientes recomendaciones: 1. La capacidad que se basa en la velocidad de la rueda menor son para una duración aproximada de 15000 horas aproximadamente. 2. Para una velocidad determinada, el aumento de los dientes de la Catarina aumentara también su capacidad y mientras más número de dientes tenga una tarima también así aumentara su diámetro, pero si se une una cadena de paso pequeño en una Catarina grande, disminuye el ruido produciendo un funcionamiento más silencioso. 3. Para una Catarina con número de dientes determinado, la capacidad aumenta al aumentar la velocidad de la Catarina hasta cierto punto, luego comienza a decrecer, en las máquinas de velocidades bajos, lo cual podría ocasionar una falla impera la fatiga en los rodillos, el impacto sobre la Catarina porque cada cadena tiene un límite de velocidad para trabajar. 4. La cadena escogida fue una cadena sencilla número 60 de acuerdo con la tabla y se usó un factor de servicio de 1.3 escogido de la tabla de factor de servicio.

Tabla 6.Capacidad medida por caballos de fuerza, para una cada sencilla de rodillos número 60.

Fuente: Robert l Mott

Tabla 7.Factor de servicio para transmisiones por cadena.

Fuente: Robert L. Mott

9.5 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS Este es un elemento primordial en cualquier aplicación de la ingeniería mecánica y el diseño de máquinas por la función tan importante que cumplen, venciendo o reduciendo la fricción para permitir el movimiento y la transmisión a través de él. Para nuestra máquina se escogió el rodamiento temiendo en cuenta los siguientes factores. En la (figura 44) se observan los diferentes componentes de un rodamiento de bolas. Figura 44. Descripción de rodamiento

Fuente: robert l mott

Diámetro del eje a usarse. Factor de carga dinámica C10. Horas de vida nominal del rodamiento XD. Horas deseadas de vida= LD Fuerza que soportara el rodamiento=F. Factor de la clase de rodamiento a= 3. Velocidad deseada= nR Vida nominal en horas= LR Iniciamos calculando el XD para el rodamiento de bolas. (23) Para los rodamientos SKF el valor nominal de ciclos recomendados por el fabricante es y es igual a 106 revoluciones de esta manera encontramos las horas de vida nominal del rodamiento. (24)

De esta manera hayamos el C10 o factor de carga dinámica.

Como

es la carga radial que es multiplicada por un factor de aplicación =1 por

que la pista interna es la que está en movimiento si en su lugar girara la pista externa su factor seria de =1,2 entonces.

Tabla 8. Vida de cojinetes para maquinaria diversa.

Fuente: Shigley, J. E. (2002). DISEÑO EN INGENIERIA MACÁNICA. McGraw-Hill.

Tabla 9.Factor de confiablidad.

Fuente: http://www.mvbbearing.com/products/UCP200/UCP211.html

Con base el catalogo se escogió el rodamiento de bolas UCP 211-32 del fabricante BEARNING UNITS TLR corporation de 2in de diámetro interno y como la carga radial es mínima (figura 45), decidirnos por este rodamiento y claro está por su economía. Figura 45. Rodamiento de bolas UCP 211-32

Fuente: http://www.mvbbearing.com/products/UCP200/UCP211.html

En el catálogo de bearning units se puede observar la referencia de la chumacera. 9.6 SELECCIÓN DE TORNILLOS Los tornillos son elementos de sujeción muy necesarios en la unión de elementos de máquinas o en la unión de sus estructuras y esta máquina no es la excepción, en esta sección veremos el cálculo para los tornillos usados. Así como su selección.

SELECCIÓN DE PERNOS

1. Elementos de sujeción de Rodamientos y Estructura principal

Longitud del perno

Longitud Roscada

Longitud de la parte útil sin rosca

Longitud de la parte roscada en la junta

DESIGNACIÓN DEL PERNO

5/8 -11 UNC -1A -

- Grado SAE 8.2

Puede colocar esta designación o puede colocar las fracciones

0.625 -11 UNC -1A -

- Grado SAE 8.2

1. Elementos de sujeción del motor Eléctrico a la Estructura principal

Longitud del perno

in

Longitud Roscada

Longitud de la parte útil sin rosca

Longitud de la parte roscada en el interior de la junta

DESIGNACIÓN DEL PERNO

7/16 -14 UNC -1A -

- Grado SAE 8.2

2. Elementos de sujeción de la Prensa a la Estructura principal

Longitud del perno

Longitud Roscada

Longitud de la parte útil sin rosca

Longitud de la parte roscada en el interior de la junta

Designación del perno

3/8 -16 UNC -1A -

- Grado SAE 8.2

Como los tornillos encontrados tienen una resistencia mínima de fluencia de 130Mpa de la tabla. Para su apriete o par de apriete usamos la siguiente ecuación (27)

K es una constante denominada factor de tuerca y sus valores se encuentran en la tabla 10. Tabla 10. Selección del tornillo

Fuente: calculo de apriete de tornillos

Se define como el valor de la precarga y es igual ha Es el 90% de la resistencia última a la fluencia del tonillo

Entonces de (27) calculamos el torque adecuado para estos pernos.

Para sujetar los porta-rodamientos se usaron 4 tornillos 5/8in grado 8.2 tipo G UNC (figura 50).

Figura 50. Tornillo 5/8 in grado 8.2

Fuente: autor

Para sujetar la base de la prensa de tubos se usaron 4 tornillos 3/8in grado 8.2 tipo G UNC (figura 51). Para sujetar la prensa se usaron 3 tornillos 3/8 grado 8.2 tipo G UNC Figura 51. Tornillo 3/8 in grado 8.2

Fuente: autor

Para sujetar el motor a la estructura se usaron 4 tornillos 7/16 grado 8.2 tipo G UNC. (su diseño se puede apreciar en anexos tornillo 2).

Tabla 11. Dimensiones de roscas unificadas (UNS),(UNC) y finas (UNF)

Fuente: http://blog.utp.edu.co/lvanegas/files/2011/08/Cap8.pdf

Tabla 12. Grados de tornillos

Fuente: http://blog.utp.edu.co/lvanegas/files/2011/08/Cap8.pdf

9.7 ANALISIS DE SOLDADURA La soldadura es un proceso de manufactura que consiste en la adhesión de material para concretar o hacer una unión entre 2 o más elementos. La soldadura de arco eléctrico consiste en tocar con la punta de un electrodo recubierto de material y retirándola a la distancia necesaria para conservar el arco (figura 52). 9.7.1Análisisde soldadura de la estructuraFigura 52. Soldadura de Arco y metal revestido

Fuente: SMITH, W. F. (1998). FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.McGraw-Hill.

Tabla 12.Características generales de los procesos de soldadura por fisión.

Fuente: SMITH, W. F. (1998). FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.McGraw-Hill.

En este caso se eligió la soldadura 7018 que tiene una resistencia mínima a la fluencia de Según la tabla 13.

Tabla 13. Análisis de resistencia de la soldadura

Fuente: http://es.scribd.com/doc/47051066/soldaduras-diseno Santiago Cardona. Universidad nacional de Colombia seccional Medellín.

De acuerdo al criterio de falla de energía de distorsión se dice que si el esfuerzo último del punto a soldar es menor que el esfuerzo último del electrodo entonces es viable usar dicho número de electrodo.

Y como

se considera apropiada esta selección para la unión de los

elementos de la estructura. En las figuras (53, 54,55) se observan las uniones de la estructura en la máquina. Figura 53. Resistencia a la soldadura

Figura 54 Resistencia de la soldadura

Figura 55. Resistencia a la soldadura

Fuente: autor

De las propiedades de la tabla propiedades a la torsión de soldaduras de filete decimos que, modelamos el caso de la siguiente manera. Decimos que

(29)

Y como

La h simboliza la garganta de la soldadura.

Despejando = 4mm entonces la altura de la soldadura de filete debe ser mayor o igual que 4mm. 9.7.2Análisis de soldadura para el eje. Para el diseño de eje realizamos el mismo procedimiento anterior pero usamos otra geometría que encontramos (figura 56), en la tabla 14 propiedades a la torsión de soldadura de filete.

De (31) conseguimos

Figura 56. Soldadura para el eje.

Fuente: autor

Tabla 14. Propiedad de torsión de soldaduras de filete.

Fuente: Shigley, J. E. (2002). DISEÑO EN INGENIERIA MACÁNICA. McGraw-Hill.

10. MONGATE Y PUESTA A PUNTO

En este capítulo se explica una de las partes más importantes del proceso que es el de construcción y montaje de la máquina, luego de observar los elementos que con que cuenta la máquina y que en un 90% son elementos re usados y teniéndolos en su totalidad gracias al diseño ya seleccionados se procede a trabajar en el primer concepto. Luego de calcular las diferentes variables que nos determinaron los elementos de construcción, se define la geometría estableciendo esta altura, según las normatividad ohsas 18001 la altura apropiada para una mesa de trabajo es de 80cm a 90 cm y por ser una actividad repetitiva se debe tener en cuenta de que su operación no sea de fuerza bruta sino más bien de técnica (figura 57). Figura 57. Estructura

Fuente: autor

Al considerar siempre la idea de que entre menso piezas tenga la maquina mas fácil será identificar una falla y más fácil será realizar su mantenimiento y operación. Por ser una maquina que tiene un eje que gira a pocas (rpm) revoluciones por minuto, no produce polvo evitando un riesgo de tipo químico. En lo referente al eje esta ubicado ha una altura de 90cm de altura, no se manipula mientras este girando y el dado que es atravesado por la varilla se debe

tener en cuenta que este bien apretados los tornillos que sujetan el dado al eje (figura 58). Figura. 58 dado en el eje

Fuente: autor

El sistema de trasmisión de potencia de la maquina cuenta con un protector de cadena construido partiendo de una lamina de acero calibre 20 tiene una forma que cubre toda la cadena desde el piñón hasta la totalidad de la rueda que protege a la cadena de elementos extraños y lo mas importante es que protege al operario en el caso de que cualquier elemento que tenga sujeto a su cuerpo pueda ser jalado por la cadena causando un accidente laboral (figura 59). El operario no tiene por que tener un contacto que no sea mas que visual con la cadena y la rueda mientas la maquina esta operando. Figura 59. Protector de la cadena

Fuente: autor

El mantenimiento de esta parte de la maquina consiste en la lubricación de la cadena, limpiar la cadena y el piñón de cualquier elemento extraño que pueda haber llegado hasta allí. En la parte superior del motor se ubico también un protector de lamina de acero calibre 20 (figura 60) que cubre el motor en caso de que algún elemento caiga sobre el o algún liquido aunque la maquina en ningún momento requiere la manipulación de líquidos cerca de ella. Figura.60 protector del motor

Fuente: autor

El motor se ubico en la parte inferior de la estructura, aprovechando al máximo el espacio y para permitir un funcionamiento optimo del equipo, para sujetar el motor a la estructura se usaron 4 tornillos de rosca ordinaria UNC de calibre 7/16in Figura 61. Motor en su ubicación

Fuente: autor

El sistema de transmisión de potencia está compuesto por los siguientes elementos: Motor Piñón Cadena Catalina Eje Al el eje se encuentra soldada la Catarina la cual es la encargada de transmitir el torque a la varilla. El eje pasa a través de los rodamientos los cuales están sujetados a la estructura con cuatro tornillos de 5/85in.En la parte de sujeción tenemos la prensa de tubos la cual esta, sujeta a la plataforma por tornillos 3/8in y esta a su vez a la estructura (figura 62). Figura 62. Elemento de sujeción prensa de tubos

Fuente: autor

Al motor se le hace la instalación eléctrica con 5m de cable recubierto w 10, un interruptor de caja y un enchufe para la conexión (figuras 63, 64,65).

Figura 63. Interruptor

Fuente: autor

Figura 64.Enchufe

Fuente: autor

Figura 65. Máquina ensamblada

Fuente: autor

11. PRESUPUESTO Ahora se mostrarán los costos de construcción. ELEMENTO

NÚMERO DE UNIDADE S

NUEVO

VALOR TOTAL

REUTLILIZADO

Perfil de ángulo 2’’*2’’*3/16’’

2

$ 62.500

$ 125.000

$ 100.000

Motor reductor variable

1

$ 600.000

$ 600.000

$ 400.000

$0

$ 60.000

Us motor Cadena numero 60

1

Catalina 1

1

$ 120.000

$ 120.000

$ 40.000

Catalina 2

1

$ 350.000

$ 350.000

$ 60.000

Eje de acero 1020 de 0.4 metros

1

$ 20.000

$ 20.000

$ 20.000

Porta rodamientos de in de diámetro interno

1

$ 35.000

$ 35.000

$ 35.000

1

$ 120.000

$ 120.000

$ 40.000

Bearning units Prensa de tubos de ½’’ a 4’’.

Zubi-ondo

Tubo de 2’’ de diámetro externo y 1.5’’ de diámetro interno.

1

$ 11.000

$ 11.000

$ 11.000

Copas de ½’’ y 3/8’’

1

$ 10.000

$ 10.000

$ 10.000

Tornillos 5/8’’

2

$ 1.500

$ 3.000

$ 1.500

Arandela 5/8’’

4

$ 1.000

$ 4.000

$ 1.000

Arandela de seguridad 5/8’’

2

$ 500

$ 1.000

$ 500

Tuerca 5/8’’

2

$ 1.500

$ 3.000

$ 1.500

Tornillos 3/8’’

7

$ 1.000

$ 7.000

$ 1.000

Arandela 3/8’’

14

$ 500

$ 7.000

$ 500

Arandela de seguridad 3/8’’

$7

$ 500

$ 3.500

$ 500

Tuerca 3/8’’

7

$ 700

$ 4.900

$ 700

Tornillos 7/16’’

4

$ 1.200

$ 4.800

$ 1.200

Arandela 7/16’’

8

$ 200

$ 1.600

$ 200

Arandela de seguridad 7/16’’

4

$ 500

$ 2.000

$ 500

Tuerca 7/16’’

4

$ 500

$ 2.000

$ 500

Cable forrado de caucho w10

5

$ 10.000

$ 50.000

$ 10.000

interruptor

1

$ 15.000

$ 15.000

$ 15.000

Enchufe trifásico

1

$ 10.000

$ 10.000

$ 10.000

Soporte del interruptor

1

$ 1.000

$ 1.000

$ 1.000

Tornillos golosos

4

$ 200

$ 800

$ 200

pintura

1

$ 50.000

$ 50.000

$ 50.000

$ 1.561.600

$ 871.800

Fuente: autor

12. CONCLUSIONES

Se logro conseguir el objetivo de diseñar y construir una maquina de torsión, con las normas de ergonomía a un precio asequible y totalmente funcional. Al observar los resultados de su trabajo, es muy importante reconocer que la función que desempeña es facilitar esta labor y hacer este trabajo más seguro. Esta máquina ofrece una alternativa para los interesados en mejorar y hacer más productivo su negocio. La torsión de varillas cuadradas de forma mecánica hace que la seguridad del operario no se vea afectada en un agotamiento o lesión muscular.

13. RECOMENDACIONES

En este capitulo tendremos encuentran algunas recomendaciones para lograr un uso mas adecuado del equipo.

No manipular el eje o el dado mientras la maquina este en funcionamiento. Antes de ser conectada se debe verificar que la maquina este apagada. Debe ubicarse en un lugar donde no se entre en contacto con líquidos. Verificar que el material este bien sujetado por la prensa. Si se quiere mejorar, seria la automatización de su control.

14. ANEXOS 14. 1 PLANOS Estructura

Fuente: autor Placa

Fuente: autor Porta rodamientos.

Tornillo 1 5/8in

Fuente: autor

Tornillo2 7/16in

Fuente: autor Tornillo 3 3/8in

Fuente: autor

Arandela 1 5/8in

Fuente: autor Arandela 2 7/16in

Fuente: autor

Arandela 3 3/8

Fuente: autor Tuerca 1 5/8in

Fuente: autor

Tuerca 2 7/16 in

Fuente: autor Tuerca 3 3/8in

Fuente autor

14. 2. CATÁLOGO DE PORTA RODAMIENTOS.

Fuente: http://www.mvbbearing.com/products/UCP200/UCP211.html

14.3. FICHA TÉCNICA FICHA TÉCNICA DE LA MAQUINA DE TORSIÓN

Fabricante

Raúl Alberto Sánchez

Modelo

I-49

Año de fabricación

2012

Potencia

2.5HP

Voltaje

220V

Amperaje Frecuencia

60Hz

Función

Torsión

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Dimensiones de la máquina

Largo

1.2m

Alto

0.8m

ancho

0.4m

MOTOR Fabricante

Modelo

Us motors

amperaje

2.6A a 4.3A

Potencia

2.5Hp

voltaje

220

rpm

1750 rpm

Tipo

Trifásico

frecuencia

60Hz

Temperatura

COMPONENTES MECÁNICOS Eje

Elemento sujeción

Tornillos

Acero 1020

Fundición gris

UNC Grado 8.2

Lubricantes W 50 caja de reducción

14.4. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO Maquina de torsión I-49 SISTEMA

FACTOR

Transmisión de potencia

Sobre carga para el motor

Sistema eléctrico

Catarinas y cadena

ACCIONES Se debe verificar que el motor trabaje con el material y perfil para el cual fue usado

Conexión adecuada

Se debe verificar que la maquina este apaga de en el momento de comenzar su operación, mantener limpio y el y sin daños el cable e interruptor

Sobre carga y falta de lubricación

Es necesario mantener la cadena lubricada con grasa y sus Catarina. No forzarla a trabajar bajo parámetros de diseño que no fueron establecidos.

Sistema de dados

ajuste

Sistema de sujeción

ajuste

Ajustar bien la varilla para que no se resbale y dañe el material.

15. RECURSOS

15.1 RECURSOS HUMANOS Autor del proyecto: Raúl Alberto Sánchez Carrillo 88031507 Estudiante de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Pamplona.

Director del Proyecto: ALBERT MIYER SUAREZ PhD en Ingeniería Mecánica, Profesor de la Universidad de Pamplona.

15.2 RECURSOS INSTITUCIONALES

Universidad de Pamplona.

15.3 RECURSOS FINANCIEROS

La financiación correrá por cuenta del integrante del proyecto y el costo del proyecto se irá dando a medida que se vaya avanzando en su construcción.(Ferdinand P beer, 2004)

16. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Identificación del problema Recolección de información Ideas preliminares Dibujo de bocetos Selección de la propuesta más adecuada Diseño de detalles Análisis matemático Análisis gráfico y simulación construcción

BIBLIOGRAFIA

Ferdinand P beer, E. J. (2007). MECÁNICA VECTORIAL PARA INGENIEROS Estática.McGraw-Hill. Ferdinand P beer, E. R. (2004). MECÁNICA DE MATERIALES. McGraw-Hill. Giraldo, A. V. (2009). TECNOLOGÍAS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS METALES. Universidad de Antioquia. Granados, A. C. (2008). MATERIALES DE INGENIERIA APLICACIONES . Bucaramanga: División de Publicaciones UIS.

NORMAS

Y

S.TIMOSHENKO. (1957). RESISTENCIA DE MATERIALES. EPASA-CALPE, S.A. Shigley, J. E. (2002). DISEÑO EN INGENIERIA MACÁNICA. McGraw-Hill. SMITH, W. F. (1998). FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.McGraw-Hill.

PAGINAS WEB CONSULTADAS [1]

http://www.nargesaonline.com/pdf_es/Manual_Torsionadora_Automatica_MT500 A_ESP.pdf [2]

http://home.gna.org/getfem/images/torsion034.png

[3]

http://www.nargesa.com/flash/pdfs/torsionadora_mt150r_spa.pdf

[4]

http://www.mimaquina.com/mimaquina/auction_details.php?name=FABRICACIO N-DE-ENGRANAJES-RECTOS&auction_id=101076 [5]http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/430751 [6]http://www.saysatmp.com/image/Imagenes%20Finales/Engranes/Engranes%20 conicos%20espirales___1.jpg [7]http://grupos.emagister.com/imagen/engrane_conico_helicoidal/1707-378493 [8http://www.saysatmp.com/image/Imagenes%20Finales/Engranes/Engranes%20c onicos%20espirales___1.jpg

[9]http://www.engranajesdeusto.com/es/ver.php?n=17 [10]http://www.nachi.de/15-3-rodamientos-radiales.html [11]http://www.nskeurope.es/cps/rde/xchg/eu_es/hs.xsl/rodamientos-de-bolas-deempuje-o-axiales.html [12]http://www.nskeurope.es/cps/rde/xchg/eu_es/hs.xsl/rodamientos-de-bolas-decontacto-angular.html [13http://www.rodaunion.es/suministrosindustriales/subfamilias/familia/10/subfamilia/11.html [14]http://alexmotocicletas.blogspot.com/2009_04_01_archive.html [15]http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/roda/roda4.html [16]http://www.jocartransmisiones.com/PDF's/15Soportes%20con%20rodamiento.pdf [17]http://www.directindustry.es/prod/ntn-snr/soportes-cojinetes-de-pie-partido-amedida-8884-430407.html [18]http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/imageViewerJs.jsp?image =7225_f01.jpg&file=2_12_1&maincatalogue=1&lang=es [19]http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/imageViewerJs.jsp?image =2200f22.gif&file=2_14_1&maincatalogue=1&lang=es [20]http://www.sbslot.es/product_info.php?manufacturers_id=10&products_id=97 [21]http://www.sbslot.es/popup_image.php?pID=96 [22]http://www.directindustry.es/prod/hilma-romheld/sistemas-de-sujecion-y-demontaje-24653-408217.html [23]http://www.bobinadoscolba.com/bomba-motor.html [24]http://spanish.alibaba.com/product-gs/dc-motor-for-battery-electric-forklift-truck429414969.html [25]http://www.directindustry.es/prod/johnson-motor-saia-motor/motores-electricosuniversales-665-470397.html [26]http://www.atcorgeryma.com/ficha/9/reductores_varvel/reductores_varvel_rc

[27]http://i1.ytimg.com/vi/0JtyPl2nr0Q/default.jpg [28]http://www.nargesaonline.com/pdf_es/Manual_Torsionadora_Automatica_MT5 00A_ESP.pdf [29] http://www.mvbbearing.com/products/UCP200/UCP211.html [30] es.scribd.com/doc/47051066/soldaduras-diseno Santiago Cardona. Universidad nacional de Colombia seccional Medellín.