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FABRICACIÓN DE UN DINAMÓMETRO PARA MEDIR FUERZAS CORTANTES EN TORNO
WHITNEY TORRES VILLALBA
NICOL DAYHANA PALACIOS MONTERO
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN MECÁNICA
DIRECTOR
ING. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS M.SC.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2019
2
Notas de Autor
Whitney Torres Villalba y Nicol Dayhana Palacios Montero, Facultad Tecnológica,
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
La correspondencia relacionada con esta investigación debe ser dirigida a Whitney Torres
Villalba y Nicol Dayhana Palacios Montero
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá
Contacto: [email protected]
3
Contenido
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 8
1.1ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................... 10
1.1.1 Tendencias en Tecnología de Medición de Fuerza .................................................. 11
1.1.2 Historia ..................................................................................................................... 18
1.1.3 Uso de los dinamómetros con el paso del tiempo .................................................... 19
1.2 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... 20
2 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 24
2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................. 24
2.2 OBJETIVOS ESPECÌFICOS ......................................................................................... 24
3. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 25
3.1 PRINCIPIO DEL DINAMÓMETRO ............................................................................ 25
3.2 MERCADO .................................................................................................................... 26
3.3 CLASES DE DINAMÓMETRO ................................................................................... 27
3.4 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Y SENSORES PIEZOELÉCTRICOS .................. 30
3.5 CLASES DE DINAMÓMETROS PARA MÁQUINAS DE MECANIZADO ............. 30
3.6 PROCESO DE MECANIZADO .................................................................................... 35
3.7 CLASES DE VIRUTAS ................................................................................................. 36
3.8 HERRAMIENTAS DE CORTE: ................................................................................... 37
3.8.1 Tipos de herramientas de corte ................................................................................ 37
4
3.8.2 Tipos de recubrimiento utilizado en herramientas de corte: .................................... 39
3.8.3 GEOMETRÍA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE. ..................................... 40
3.9 FUERZAS DE CORTE EN EL MECANIZADO .......................................................... 41
3.10 PARÁMETROS DE CORTE EN EL MECANIZADO ............................................... 43
4. FABRICACIÓN ................................................................................................................... 49
4.1 TRATAMIENTO TÉRMICO ........................................................................................ 49
5. INSTRUMENTACIÓN ....................................................................................................... 50
5.1. CONFIGURACIÓN DEL HARDWARE ..................................................................... 50
5.2. CONVERSOR A/D ....................................................................................................... 51
5.3. MICROCONTROLADOR ............................................................................................ 52
5.3.1. Elementos de un microcontrolador ........................................................................ 52
5.4. RESOLUCIÓN .............................................................................................................. 54
5.4.1. La linealidad integral y el de linealidad diferencial: ............................................... 55
5.4.2 Amplificadores ......................................................................................................... 55
5.4.2 Filtros Activos Pasa Bajas ....................................................................................... 57
6. PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ COMPUTACIONAL ......................................... 59
6.1 LABVIEW ..................................................................................................................... 59
6.2. ARDUINO (SOFTWARE) ........................................................................................... 59
7.0 CALIBRACIÓN ................................................................................................................ 61
7.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 61
5
7.2 APLICACIÓN DE LOS ESFUERZOS AL SENSOR ................................................... 61
7.3 DISPOSITIVO ELÉCTRICO ASOCIADO AL SENSOR ............................................ 62
7.4 PRINCIPALES PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN DE UN DINAMÓMETRO .... 63
7.5 CARACTERÍSTICAS METROLÓGICAS ................................................................... 63
7.6 RESULTADO E INCERTIDUMBRE DE CALIBRACIÓN ........................................ 65
7.7 RECOMENDACIONES DE USO ................................................................................. 66
7.7.1 Condiciones de funcionamiento ............................................................................... 67
8. METODOLOGÍA ................................................................................................................ 68
9. EVALUACIÓN FINANCIERA .......................................................................................... 70
9.1 TIPOS DE INVERSIONES ........................................................................................... 71
9.1.1 RECURSOS FIJOS.................................................................................................. 71
9.1.2 RECURSOS DIFERIDOS ....................................................................................... 72
9.1.3 CAPITAL DE TRABAJO ....................................................................................... 72
9.1.4 FLUJOS DE CAJA .................................................................................................. 72
9.2 MÉTODOS PARA LA EVALUACIÓN DE PROYECTOS ......................................... 73
10. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 77
11. REFERENCIAS ................................................................................................................. 79
12. ANEXOS ............................................................................................................................ 81
12.1 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN X .......................................................................... 81
12.2 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN Y .......................................................................... 81
6
12.3 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN Z .......................................................................... 82
12.2 PLANOS ....................................................................................................................... 82
Lista de tablas
Tabla 1 Efectos de parámetros de corte inadecuados .............................................................. 44
Tabla 2 Velocidades de corte .................................................................................................. 46
Tabla 3 Potencia unitaria (CVs) ............................................................................................... 47
Tabla 4 Tabla de energía específica de los materiales ............................................................ 47
Tabla 5 Inversiones y proyección estimada 75
Tabla 6 Costos del proyecto 76
Lista de figuras
Figura 1 Sensor S2M ................................................................................................................ 13
Figura 2 Transductor de fuerza HBM ...................................................................................... 15
Figura 3 TEDS ......................................................................................................................... 16
Figura 4 Sensores de alta capacidad ......................................................................................... 17
Figura 5 Galga extensiométrica ............................................................................................... 28
Figura 6 Esquema puente de Wheatstone ................................................................................ 28
Figura 7 Esquema de dinamómetro mecánico ......................................................................... 31
Figura 8 Dinamómetro a esquema oleostático ......................................................................... 32
Figura 9 Dinamómetro a esquema óptico. ............................................................................... 32
Figura 10 Prototipo de dinamómetro para torno con galgas extensiométricas ........................ 34
7
Figura 11 Pareted de una herramienta de corte ....................................................................... 37
Figura 12 Arduino Uno ............................................................................................................ 53
Figura 13 Conversor análogo digital ........................................................................................ 54
Figura 14 Linealidad diferencial .............................................................................................. 55
8
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Debido a que los procesos de mecanizado por arranque de viruta son hoy en día indispensables
en la industria manufacturera tanto en el país como a nivel internacional, cada vez es más preciso
poder controlar dichos procedimientos.
A lo largo de este proyecto se estudia el dinamómetro como herramienta de medición para las
fuerzas cortantes en los procesos por arranque de viruta, adaptándolo a las necesidades y
equipamiento de nuestros laboratorios con la utilización de los recursos disponibles en el torno
AS360/1000. Mediante esta herramienta de medición se podrán determinar fuerzas radiales,
axiales y transversales, para facilitar el análisis de la variación de parámetros que influyan tanto
en los procesos de corte como en las condiciones óptimas para el uso provechoso de las
herramientas y el material con el que se cuenta, pues la calidad de las piezas fabricadas puede
variar drásticamente, si no se tiene el conocimiento adecuado de los criterios involucrados en el
momento de la manipulación de dichas herramientas y materiales.
Se realiza este proyecto como el resultado a la necesidad de tener mayor precisión a la hora de
dimensionar fuerzas en los procesos de mecanizado, ya que estas son requeridas en diversos
laboratorios y talleres, en los que por ahora solo se pueden determinar con ecuaciones teóricas y
no es posible verificar la veracidad de los cálculos pues no se ha contado con una medición real
de las fuerzas. Debido a esta situación, se plantea el diseño, fabricación e implementación de un
dinamómetro con un alto nivel de sensibilidad a la lectura de fuerzas, que permita evaluar
esfuerzos a los que está sometido el material de forma más práctica; capturando, almacenando y
analizando señales que emite, mediante un software de procesamiento de datos.
9
En el mercado se cuenta con gran variedad de dinamómetros pero tienen un elevado costo,
además de ser demasiado sofisticados en el caso de que se requieran para un uso académico, en
este proyecto se plantea la elaboración de un dinamómetro que, aunque en esencia cuente con las
funciones de uno estándar, tenga un costo inferior tanto en su elaboración como en su
mantenimiento y calibración; pues los equipos para estas dos últimas también son de alto costo y
se puede lograr convergir a los mismos resultados con menores inversiones.
Cabe mencionar que los dinamómetros son ampliamente usados en la industria moderna, estos
están fabricados de distintas maneras, materiales y diseños para ser aplicado en lo que se requiera
de un dinamómetro, por ello es indispensable hacerle una muy buena calibración. El torneado es
el principal mecanizado estudiado por el dinamómetro, este es un proceso de fabricación por
arranque de viruta ampliamente usado para la obtención de piezas con geometría compleja y
buen acabado superficial.
Es necesario tener en cuenta los factores que intervienen al momento del mecanizado del
material, la fuerza, la temperatura, las vibraciones son variables que pueden afectar el producto
final, por lo tanto el monitoreo es esencial, debemos saber que dentro del enfoque que el
dinamómetro tiene existen dos tipos muy comunes, aquellos de tipo piezoeléctrico y de galgas
extensiométricas (strain- gauges), este último posee una gran ventaja frente a los piezoeléctricos
ya que permiten una implementación rápida, sencilla y económica , además nos proporciona
datos que podemos observar, estudiar, evaluar y poner al servicio de la tecnología. Por este
motivo todo avance o mejora en los procesos de mecanizado tiene un impacto muy profundo
sobre la producción, ya que ellos inciden directamente en la eficiencia del proceso y por ende en
un menor gasto de energía y de esta manera maximizar en el corte de los materiales.
10
Para terminar, esta monografía se realizó con fines, principalmente, académicos para el área de
Procesos de Manufactura, en la implementación para laboratorios y talleres; con el nuevo sistema
de medición de fuerzas, se podrá observar e incluso cuantificar la magnitud de la fuerza y la
dirección del movimiento, de una manera rápida, precisa y didáctica para el fácil entendimiento
del comportamiento de esta variable fundamental en dicha área.
1.1ESTADO DEL ARTE
La etimología de la palabra dinamómetro está compuesta por dos palabras básicas. La primera,
dinamo proviene de la palabra griega dynamics que significa potencia en movimiento. La
segunda, que viene de la palabra, metrón y quiere decir medir. Para los propósitos de éste trabajo
de graduación un dinamómetro puede describirse mejor como "una máquina que mide las fuerzas
cortantes en un torno". Los dinamómetros son instrumentos de medición de fuerzas estáticas y
dinámicas, en este caso solo mediremos fuerzas dinámicas implicadas en la acción de
mecanizado en el torno AS360/1000.
Los componentes básicos de un dinamómetro son el coraza, la unidad de la absorción que es
generalmente una cierta clase de rodillo o de tambor y el aparato de medición de fuerza (en este
caso strain gages).
El Transductor de fuerzas o dinamómetro tiene inicios con Isaac Newton. Las máquinas de
ensayo de materiales sometidos a diferentes esfuerzos incorporan dinamómetros, principalmente
cuando los ensayos son de resistencia a la tracción, para medir los esfuerzos de rotura que
rompen las probetas de ensayo.
11
Una forma común de dinamómetro es una balanza de resorte calibrada en newtons, la unidad de
fuerza del Sistema Internacional de unidades (SI) y mide tanto fuerzas de tracción como de
compresión, empleándose el dinamómetro correspondiente según el caso.(Pina Molina, 2012)
1.1.1 Tendencias en Tecnología de Medición de Fuerza
Los sensores también se suman a la innovación, respondiendo a demandas y tendencias del
mercado.
Los avances técnicos en ingeniería de bancos de pruebas no se limitan a los amplificadores de
medición y los sistemas de software, los sensores también se suman a la innovación,
respondiendo a demandas y tendencias del mercado, como la necesidad de tiempos de
configuración más cortos, mayor flexibilidad y automatización de las pruebas.
Se usa como ejemplo la medición de fuerza para explicar el modo en que los transductores,
basados en galgas extensiométricas, de última generación se ajustan a requisitos muy variados en
los bancos de ensayos y en las pruebas reales.
El desarrollo de los transductores de fuerza durante los años recientes ha propiciado la aparición
de sensores más precisos que, al mismo tiempo son más robustos, de uso más sencillo, más
fáciles de configurar y con una eficacia de costes mayor.
12
Tendencia de innovación 1: Mayor Precisión
Una mayor precisión del banco de pruebas es algo que se amortiza inmediatamente, en forma de
un rango de medida extendido.
La precisión de los sensores reviste un interés económico considerable. El motivo de ello es que
el rango de medida “utilizable” (es decir, el rango de trabajo de un sensor con la precisión
requerida) crece a medida que mejora la precisión de los sensores.
Esta correlación se ilustra en el diagrama de más abajo, que está basado en el sensor S2M, figura
1, un transductor de fuerza industrial que se fabrica en grandes cantidades. Lo comparamos con
el modelo S2, su inmediato predecesor. El S2M tiene un diseño de vanguardia que le permite
alcanzar un rango de medida sensiblemente más amplio, ajustándose a una incertidumbre de
medida dada. El cálculo de nuestro ejemplo se basa en una medición de fuerza en la banda de
carga parcial con ambos sensores. El tiempo de medición es de 30 minutos. Se considera que,
durante la medición, se produce un cambio de temperatura de 20 grados Kelvin. El rango de
medición del sensor es de 500 N. Se han tenido en cuenta las siguientes influencias: linealidad,
coeficiente de temperatura del punto cero, sensibilidad, histéresis y desvío.
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Figura 1
Sensor S2M
Con estos parámetros, se puede utilizar un sensor con un rango de medida de 500 N para
determinar con precisión fuerzas de aproximadamente 20 N. Esto ofrece dos beneficios:
Se puede usar un sensor de mayor capacidad para reforzar la estabilidad de la cadena de
medición ante las sobrecargas. De este modo, la cadena de medición resulta más robusta. Cuando
se utilizan sensores modernos, la incertidumbre es muy baja.
Los sensores pueden utilizarse en un rango de medición más amplio, lo cual reduce la variedad
de modelos necesarios.
Tendencia de Innovación 2: Aptitud para Mayores Extremos
Actualmente se comercializan transductores de fuerza herméticamente sellados para la mayoría
de intervalos de medición. Las fuerzas muy pequeñas, de hasta 500 N, todavía plantean desafíos.
14
Cada vez es más frecuente simular el uso de productos en condiciones extremas. En este tipo de
aplicaciones, las ventajas de un sistema amplificador robusto son evidentes. Y, por supuesto,
también se necesitan sensores que soporten condiciones adversas.
Hoy día existen sensores soldados herméticamente sellados que cumplen requisitos muy
exigentes en materia de solidez. La clase de protección IP68 (una característica estándar de esta
serie de sensores) se verifica mediante una prueba de inmersión bajo 3 m de columna de agua
durante 100 horas.
Por otro lado, los aceros inoxidables modernos tienen características adecuadas de resistencia a
la corrosión y propiedades elásticas. Existen fabricantes, como HBM, que garantizan una
combinación de acero inoxidable, IP68, carcasas de sensores herméticamente estancas y clase de
precisión 0.02*.
* Las clases de precisión según los estándares de HBM cumplen criterios sensiblemente más
exigentes que la generalidad del mercado.
Tendencia de Innovación 3: Flexibilidad
Los transductores de fuerza modernos ya se entregan adaptados a las especificaciones del cliente
y prácticamente listos para instalar.
15
Los requisitos de flexibilidad de los sensores son cada vez más exigentes. Con el fin de reducir
los tiempos de configuración y ajuste, los ingenieros de los bancos de ensayos exigen que los
fabricantes les suministren distintos accesorios para aplicación de fuerzas, calibraciones,
longitudes de cable específicas o conectores permanentes.
Para cumplir estos requisitos, los transductores de fuerza modernos tienen un diseño modular.
Prácticamente todos los transductores de fuerza de HBM, figura 2, pueden configurarse de
forma individualizada, y tienen numerosas opciones de conectores y cables. Por ejemplo, el
transductor de fuerza C10 admite nada menos que 2304 combinaciones distintas.
Figura 2
Transductor de fuerza HBM
La demanda de TEDS (hoja de datos electrónica del transductor) también ha crecido
abruptamente en los últimos años. La TEDS, figura 3, de un sensor pasivo consiste en un
pequeño chip de memoria del cual pueden leerse datos relativos al sensor. Si se dispone de los
16
amplificadores adecuados, esta tecnología elimina la necesidad de parametrizar los canales de
medición y, de paso, reduce las posibilidades de cometer errores.
Figura 3
TEDS
Tendencia de Innovación 4: Grandes Fuerzas
Sistemas compuestos o cómo obtener una visión de conjunto a partir de pequeños detalles.
Las estructuras de ingeniería tienden a ser más grandes. Por ello, HBM ofrece ahora soluciones
especiales de hasta 20 MN, que se suman a su oferta estándar de productos hasta 5 MN. Estas
soluciones se aplican, por ejemplo, a barcos o aerogeneradores. El funcionamiento de un barco o
de un parque eólico pone en juego grandes fuerzas que es preciso verificar mediante pruebas.
Por supuesto, sigue siendo necesario calibrar los sensores de fuerza que se utilizan en
aplicaciones de campo, pero las posibilidades de calibración de grandes fuerzas son limitadas.
17
En general, para calibrar grandes fuerzas se emplea un transductor de fuerza de referencia y una
fuente de generación de fuerza (por ejemplo, un cilindro hidráulico). La precisión del transductor
de fuerza de referencia es el factor determinante de la precisión de la calibración.
Por este motivo, HBM ha desarrollado lo que se denominan “sistemas compuestos”, con tres
transductores de fuerza montados en paralelo. Este tipo de sistemas se emplean en calibración y
en muchos proyectos de investigación. El principio consiste en derivar el comportamiento del
sistema completo a partir de las propiedades de varios sensores individuales pequeños.
Así, por ejemplo, se pueden emplear tres sensores de alta precisión y pequeña capacidad para
desarrollar un sistema con el triple de capacidad de un sensor individual, como se muestra en la
figura 4.
Figura 4
Sensores de alta capacidad
En último término, estos avances permitirán utilizar tecnología de medición de fuerza en
aplicaciones de pruebas con una calibración lo suficientemente precisa; por este motivo, la
18
investigación cuenta con el apoyo de la UE. La capacidad de los sistemas desarrollados hasta
ahora está comprendida en 60 kN y 10 MN. (Keckers, 2010)
1.1.2 Historia
El dinamómetro es un instrumento que se emplea para medir fuerzas, es la definición más
sencilla que podemos encontrar en numerosas fuentes. El inventor del dinamómetro fue el
reconocido científico Isaac Newton, en general el dinamómetro en si mide las fuerzas y muchos
lo comparan con una báscula o una romana. En el caso muy popular de una romana tenemos un
pequeño muelle que se calibra para medir la deformación ocasionada por la fuerza que actúa
sobre él y produce una deformación del mismo aumentando su longitud, de tal manera que se
relaciona esta elongación con la fuerza aplicada. Siguiendo este mismo principio de que un
cuerpo se deforma al aplicar una carga que actúa sobre él, nos servirá para poder diseñar nuestro
dinamómetro.
En la actualidad encontramos en el mercado dinamómetros con muchísima precisión que se
utilizan en las investigaciones de punta. Dentro de ellos tenemos a dos tipos el primero es
aquellos que utilizan galgas extensiométricas y el segundo son los piezoeléctricos. Los que
utilizan galgas son costosos pero menos precisos y consistentes, por otro lado los piezoeléctricos
son extremadamente costosos su precios ronda los miles de dólares debido a su cuidadosa
fabricación y extrema precisión. La complejidad del dinamómetro también viene referida a su
capacidad debido a su diseño de poder medir fuerzas en el plano o en el espacio (2D o 3D).
Los dinamómetros que utilizan galgas extensiométricas en realidad utilizan el mismo principio
que uno tradicional con la única diferencia que la galga se encarga de medir con bastante
precisión la deformación producida a través de una alteración de su resistencia debido al cambio
19
de su longitud, este cambio en su resistencia se puede medir a través de un puente de puente de
Wheatstone. Por el contrario los piezoeléctricos utilizan el principio físico de estos materiales es
decir un efecto piezoeléctrico que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a
tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de
potencial y cargas eléctricas en su superficie. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible:
al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
(“Historia del dinamómetro,”.)
1.1.3 Uso de los dinamómetros con el paso del tiempo
Al pasar del tiempo se han empleado principalmente tres clases de dinamómetros para medir
fuerzas cortantes en el torno, el primero en ser usado y que aun esta en vigencia académica, es el
Dinamómetro de strain gauges que empezó a usarse en los años 1970. Los dinamómetros que
utilizan galgas extensiométricas en realidad utilizan el mismo principio que uno tradicional con
la única diferencia que la galga se encarga de medir con bastante precisión la deformación
producida a través de una alteración de su resistencia debido al cambio de su longitud, este
cambio en su resistencia se puede medir a través de un puente de puente de Wheatstone.
El dinamómetro Piezo eléctrico se empezó a usar en los años 1990 y aunque más costoso que el
de strain gauges, presenta mayor exactitud a la hora de medir las fuerzas también es más robusto
y se usa mayormente en la industria. El efecto piezoeléctrico consiste en la producción de una
diferencia de potencial eléctrico mediante la presión (ocurre en ciertos materiales cristalinos y
cerámicos, ej. Cuarzo cristalino), el cual consiste en la aparición de una polarización eléctrica
bajo la acción de un esfuerzo. Estos dispositivos son caracterizados por su alta respuesta en
frecuencia, una alta precisión, una vida de servicio larga y un buen grado de fiabilidad, la
20
propiedad del material de cuarzo es la resistencia al paso del tiempo y la baja pérdida de
sensibilidad con la temperatura (0.01% por grado de temperatura). Además, un transductor de
cuarzo no tiene problemas de fatiga y posee una alta rigidez, lo cual permite ser incorporado en
una máquina de gran precisión sin afectar las características dinámicas de la misma. Los
transductores piezoeléctricos no pueden medir un evento estático continuo como sería el caso de
una medida de peso o una fuerza estática, solo pueden medir eventos dinámicos.
Actualmente se cuentan con nuevas tecnologías de mayor precisión también mucho más costosos
aunque tienen un uso más industrial y no se han implementado a nivel de latino América, son los
dinamómetros que funcionan mediante Fibra Bragg. La primera rejilla de Bragg en fibra se
demostró por Ken Hill en 1978. Inicialmente, las rejillas fueron fabricados utilizando un láser
visible de propagación a lo largo del núcleo de la fibra. En 1989, Gerald Meltz y sus colegas
demostraron la técnica de inscripción holográfica transversal mucho más flexible en la que la
iluminación láser provenía del lado de la fibra. Esta técnica utiliza el patrón de interferencia de la
luz láser ultravioleta para crear la estructura periódica de la rejilla de Bragg de fibra. Esta fibra
básicamente es un tipo de reflector de Bragg, construido en un segmento corto de fibra óptica
que refleja longitudes de onda particulares de luz y transmite todas las demás. Esto se logra
creando una variación periódica en el índice de refracción del núcleo de la fibra, que genera un
espejo dieléctrico específico de la longitud de onda. Por lo tanto, una rejilla de Bragg de fibra
puede usarse como un filtro óptico en línea para bloquear ciertas longitudes de onda, o como un
reflector específico de longitud de onda. (Ri, Wk, Rq, & Dqg, 2012)
1.2 JUSTIFICACIÓN
21
Tener manejo y control de las variables que intervienen en el proceso de mecanizado mejora
notoriamente la calidad de los productos y así mismo reduce el costo de la producción, esto
significa, estudiar los fenómenos que ocurren en la interacción entre la herramienta y el material
a remover, por ello se han diseñado técnicas principalmente para medir dichas variables y así
tomar medidas que optimicen el proceso.
El monitoreo del estado de la herramienta es un factor importante, ya que la rotura de las
herramientas representan alrededor del 20% del tiempo sin maquinar, mientras que el desgaste de
las mismas impacta negativamente en la calidad del trabajo en cuanto a precisión dimensional,
acabado e integridad superficial. Por ellos es importante conocer la fuerza de corte en
operaciones de desbaste en el proceso de torneado, ya que esto influye directamente con el
consumo de potencia de la máquina herramienta, lo cual se traduce en el incremento de los
costos de producción o mantenimiento.
Como se ha mencionado anteriormente, la fuerza de corte está relacionada directamente con el
consumo de potencia, por ello la fuerza de corte desarrollada durante el proceso de mecanizado
puede ser estimada con el uso de un dinamómetro. En general estos últimos se basan en la
deformación elástica de materiales. Los transductores más comúnmente utilizados para captar
tales deformaciones son del tipo piezoeléctricos o galgas extensiométricas (strain-gauges).
Los de tipo strain-gauges poseen una buena exactitud y permiten una implementación rápida,
sencilla y económica. Estas condiciones justifican la selección de estos transductores para la
fabricación de un dispositivo que apunta a ser utilizado en procesos de mecanizado. Debemos
tener en cuenta que a nivel local la accesibilidad a estos sistemas de medición de fuerzas de corte
es muy baja, cualquier iniciativa para el desarrollo e impulso de carácter académico pretende en
ese sentido traer a nuestros estudiantes la Teoría del Corte y familiarizarlos con los nuevos
22
instrumentos de medición lo cual permite promover el análisis y la investigación en esta área en
la cual es fundamental entender y comprender los procesos de mecanizado, en los que influyen
directamente las magnitudes de las fuerzas.
Además, la creciente globalización y competitividad imponen condiciones de fabricación cada
vez más exigentes en cuanto a la calidad de las piezas obtenidas. Estas condiciones conducen al
desarrollo de máquinas herramientas con mayores y mejores prestaciones tanto en aspectos
estructurales como de su control. Para lograr estos objetivos es necesario una completa y
detallada comprensión del proceso de corte, es decir determinar relaciones entre las distintas
variables y parámetros del proceso (velocidad de corte, temperatura, fuerzas de corte, desgaste de
la herramientas, etc.)
En el mercado podemos encontrar dinamómetros sofisticado con adquisición de datos
computarizados, pero este dinamómetro por otro lado es económico, sencillo y fácil de usar
además tendrá un enorme impacto en las prácticas de los estudiantes para reforzar lo aprendido.
La realización de esta memoria, es el resultado de la necesidad de construir e implementar, para
el proyecto curricular de Tecnología en Mecánica, específicamente, en el área de Procesos
Mecánicos, un nuevo sistema para medir las fuerzas del mecanizado en el torno AS 360/1000. Si
bien existen instrumentos de medición que logran medir la fuerza de mecanizado o de corte
directamente, estos son de un alto costo y alta complejidad en el uso, por esta razón se
implementará un dinamómetro de galgas extensiométricas, ya que nos ofrece una gran precisión
en la calidad de la lectura realizada, y paralelo se construirá su respectivo ajuste del dispositivo
para ser instalada y por otro lado será posible capturar, almacenar y analizar las señales emitidas
por el transductor strain gages mediante el uso de un software de accesible costo y de fácil
programación, de esta forma se obtiene un dinamómetro de un uso poco complejo y de alta
23
calidad para ser usado por quien necesite medir fuerzas de corte en la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas en el proyecto de Ingeniería de Mecánica y Tecnología en Mecánica
Industrial.
Finalmente, este proyecto se realiza con fines principalmente académicos para el área de
Procesos Mecánicos, en la implementación para laboratorios y talleres; con el nuevo sistema de
medición de fuerzas, se podrá observar incluso cuantificar dicha magnitud en la dirección del
movimiento, de una manera rápida, precisa y didáctica para el fácil entendimiento del
comportamiento de esta variable fundamental del área.
24
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Fabricar un dinamómetro electromecánico para la medición, mediante interfaz computacional de
fuerzas de corte en el torno AS360/1000.
2.2 OBJETIVOS ESPECÌFICOS
Desarrollar la ingeniería inversa para la apropiación tecnológica del Dinamómetro del
laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Nacional sede Bogotá.
Fabricar y ensamblar las piezas mecánicas del Dinamómetro.
Instalar e instrumentar el Dinamómetro con los sensores seleccionados
Seleccionar y configurar el hardware para la adquisición de datos.
Programar la interfaz computacional para el sistema de adquisición de datos.
Calibrar y poner a punto el dinamómetro.
Evaluar financieramente la totalidad del proyecto.
25
3. MARCO TEÓRICO
3.1 PRINCIPIO DEL DINAMÓMETRO
Los procesos de corte requieren de una gran cantidad de potencia, si se hace mediante el
arranque de viruta producido por una herramienta de corte. En casi cualquier material,
principalmente en metales como el acero o el aluminio que permiten una gran cantidad de
utilidades en el área de procesos mecánicos. Las herramientas de corte con que se cuenta hoy en
día han incrementado su eficiencia y velocidad en los procesos de arranque de viruta, con
respecto a hace unas décadas, sin embargo puede seguir creciendo de manera ascendente dicha
eficiencia, situación que permite a la industria manufacturera, posicionarse en el lugar en que se
encuentra el día de hoy. Para lograr este posicionamiento deben conocerse a mayor profundidad
las fuerzas de corte que se ven involucradas en estos procesos, en vista de la presencia de esta
necesidad, se han planteado diferentes herramientas de medición para las fuerzas usadas en los
procesos de corte por arranque de viruta, sin duda alguna el Dinamómetro de fuerzas también
conocido como transductor de fuerzas ha sido la herramienta más usada para determinar dichas
fuerzas.
El principio del Dinamómetro surgió en 1856 cuando Lord Kelvin descubrió que al aplicar una
fuerza sobre un hilo conductor o un semiconductor se presenta una variación en su resistencia
eléctrica. Este principio permite realizar mediciones de fuerzas muy tenues que provoquen
pequeñas deformaciones en el conductor.
La utilidad de este principio se manifiesta en la construcción de las galgas extensiométricas.
Estos dispositivos son transductores pasivos, que aplicados sobre un espécimen, permiten medir
la fuerza que actúa sobre él a partir de la deformación resultante. Así, fuerzas de compresión,
tracción o torsión, aplicadas sobre materiales elásticos, generan deformaciones que son
26
transmitidas a la galga, respondiendo ésta con una variación de su propia resistencia eléctrica.
(“DISEÑO DE UN DINAMÓMETRO MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS
FINITOS,” )
3.2 MERCADO
Estas herramientas se consiguen en el mercado colombiano e internacional pero su acceso
difiere dependiendo de la funcionalidad que tenga; en el caso de necesitar medir fuerzas
estáticas, puede encontrarse gran variedad en el mercado desde los de menor capacidad con
precios de $20.000 COP hasta $1’500.000 o $2’000.000 COP, si son para usos más robustos. Sin
embargo a nivel nacional se dificulta la tarea de adquirir un dinamómetro que mida fuerzas
cortantes en torno pues su demanda es mínima y está limitada casi en un 100% para usos
académicos e investigativos de manera que su precio es muy elevado a demás que no se cuenta
con fábricas nacionales, solo con empresas importadoras; los precios de un dinamómetro de
fuerzas cortantes en torno inician en $53’000.000 COP (sin incluir el costo de importación) e
incrementan de acuerdo a su precisión, funcionalidad entre otras.
Dado que un dinamómetro es de gran utilidad para conocer no solo fuerzas en el torno si no
también mejorar las condiciones de mecanizado lo que conlleva no solo a realizar piezas de
mayor calidad sino además de incrementar la vida útil de las herramientas o del torno en sí. En la
universidad Distrital Francisco José de Caldas, más precisamente en el proyecto curricular de
Tecnología en Mecánica Industrial e Ingeniería Mecánica, un Dinamómetro permitiría mayor
investigación en el área de mecanizados y de manufactura, pero debido a su elevado costo es
difícil adquirir una herramienta como esta, es por eso que este proyecto pretende la fabricación
de un dinamómetro de fuerzas cortantes en torno. (“Fabricante Kistler,”)
27
3.3 CLASES DE DINAMÓMETRO
Esta clasificación hay diferentes tipos de transductores de fuerza entre los cuales están:
Mecánicos, los cuales a su vez pueden ser:
Directos: se realiza la comparación de la presión con la presión ejercida por un líquido de
densidad y altura conocidas. El caso más utilizado es el manómetro de tubo en U. Este sistema se
utiliza para medir presiones cercanas a la atmosférica. Consta de un tubo en forma de U (en la
actualidad se ha prohibido el uso de mercurio) con una de las ramas abiertas. Sobre la segunda
rama se aplica la presión a medir.
Indirectos:
Tubos Bourdon; tubo curvado constituyendo un anillo casi perfecto. Al aplicar presión al fluido
contenido en su interior, el tubo tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja
que se desplaza sobre una escala graduada. Cuando se necesita una medida de presión más
amplia y precisa el tubo de Bourdon se arrolla en forma de espiral y en hélice, lo que provoca un
movimiento más amplio de la aguja sobre la escala graduada.
Diafragmas: consiste en varios diafragmas circulares unidos entre sí por sus bordes, de modo que
al soportar una presión, cada diafragma se deforma y la acumulación de todas estas
deformaciones se amplifican a través de un sistema de palancas encadenadas, y son transmitidas
a una aguja que se desplaza sobre una escala graduada.
Fuelles: es parecido al anterior, consta de un fuelle, que se dilata o comprime en función de la
presión que soporta, trasladando esta deformación a una aguja.
28
Electromecánicos: utilizan un elemento mecánico elástico del tipo de los comentados en el
anterior apartado (Bourdon, espiral, fuelle) asociado a un transductor eléctrico que genera la
señal eléctrica proporcional a la presión soportada. Existen cuatro grupos principales.
De galgas extensiométricas: las galgas extensiométricas, que se muestran en la figura 5, se basan
en la modificación de longitud y diámetro (por lo tanto de resistencia) que sufre un conductor al
soportar solicitaciones mecánicas como consecuencia de una presión (efecto piezoresistivo). Se
emplea un puente de Wheatstone, como se muestra en la figura 6, para medir el incremento de
resistencia eléctrica de las galgas.
Figura 5
Galga extensiométrica
Figura 6
Esquema puente de Wheatstone
(“¿Qué son las galgas extensiométricas? ¿Cómo se usan?,”)
29
Piezoeléctricos: el efecto piezoeléctrico consiste en la acumulación de cargas eléctricas en zonas
de una lámina cristalina de ciertos materiales, a causa de soportar de una presión mecánica. El
cristal se sitúa entre dos láminas de materiales metálicos idóneos que recogen las cargas
eléctricas, permitiendo medir las modificaciones de presión.
Resistivos: la presión provoca el desplazamiento de un cursor sobre una resistencia, actuando
como un potenciómetro que modifica su valor proporcionalmente a la presión soportada.
Capacitivos: se ejerce presión sobre un diafragma metálico que resulta ser una placa de un
condensador, modificando la separación entre el diafragma y la otra placa, provocando
variaciones de capacidad proporcionales a la presión aplicada.
Algunas de las características que se buscan en la creación de estos aparatos son:
Ser capaces de medir con precisión los esfuerzos bajo condiciones estáticas y dinámicas.
Tamaño reducido, ligeros en peso.
Insensibles a los cambios de temperatura, vibración, humedad y otras condiciones ambientales.
De fácil instalación y operación.
Económicos.
Las galgas extensiométricas están muy cerca de satisfacer todos los requisitos anteriores, esta es
la razón por la cual son muy usadas para el análisis de esfuerzos y como sensores de
transductores diseñados para medir fuerza, par, presión y aceleración. (Ciencias, Calderón,
Dámaris, Rebaza, & Carlos, 2007)
30
3.4 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Y SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
Mediciones de fuerzas dinámicas
Los sensores piezoeléctricos muestran una deformación muy pequeña cuando se les aplica una
fuerza. En otras palabras, son muy rígidos. Por ello, poseen una alta frecuencia de resonancia
que, en principio, resulta muy favorable en las aplicaciones dinámicas. Ahora bien, en el estudio
de las propiedades dinámicas, toda la cadena de medición es crítica. Las piezas de montaje
utilizadas para instalar el sensor aportan una masa adicional que, por supuesto, se suma a la masa
total del sistema y, por tanto, influye en la frecuencia de corte. Además, muchos amplificadores
de carga tienen un ancho de banda que depende de la carga y, por lo tanto, de la fuerza a medir.
Las fuerzas de gran magnitud producen cargas eléctricas elevadas que, a su vez, limitan el ancho
de banda.
Los sistemas basados en galgas extensiométricas permiten trabajar con frecuencias de corte más
altas y son más adecuados cuando se desea medir fuerzas nominales de mayor intensidad. En
principio, los transductores de fuerza para fuerzas débiles tienen cuerpos de medida sensibles,
por lo que la frecuencia de resonancia del transductor es a su vez baja. Siempre se debe consultar
la hoja de datos. Los sensores piezoeléctricos son la mejor elección para mediciones rápidas de
pequeñas fuerzas, mientras que los transductores de fuerza basados en galgas extensiométricas
son en general superiores cuando intervienen grandes esfuerzos. (Rodríguez, Ocampo, & Ortega,
2007)
3.5 CLASES DE DINAMÓMETROS PARA MÁQUINAS DE MECANIZADO
En general los dinamómetros han surgido por la necesidad de mejorar los mecanizados y
optimizar la producción, por lo tanto resultan ser muy eficientes a la hora de realizar las
mediciones de fuerzas de corte, de deformaciones, graduando o tarando convenientemente el
31
transductor intermedio. En el arranque de viruta se trata, normalmente, de deformaciones
pequeñísimas (10-5
…10-3
mm), incapaces de interferir el normal desarrollo del trabajo de corte.
Dinamómetros a esquema mecánico:
La deformación se mide mediante comparadores de precisión milesimales (figura 7) la solución
presentada es bastante sencilla; aunque la sensibilidad no es muy elevada, ni tampoco la rigidez
del sistema, principalmente por las características del instrumento de medida de las
deformaciones. Finalmente la indicación del cuadrante del minímetro no es estable y este
inconveniente complica la lectura.
Figura 7
Esquema de dinamómetro mecánico
1. Herramienta; 2. Leva; 3. Fulcro; 4. Muelle de reacción; 5. Cuerpo del dinamómetro; 6. Comparador
milésimal.
Dinamómetros a esquema oleo estático:
Se basan en el principio de la incomprensibilidad de los líquidos (aceite): la fuerza aplicada a la
herramienta se transmite a un pistón, por medio de una esfera que se coloca en el interior del
brazo articulado sobre el fulcro (figura 8), que actúan sobre el líquido contenido en el cilindro
(3), aumentando así su presión.
32
Figura 8
Dinamómetro a esquema oleostático
1. Fulcro; 2.Leva; 3. Cilindro; 4. Pistón; 5. Manómetro.
Dinamómetro a esquema óptico:
El principio de funcionamiento (figura 9) está constituido por la ampliación del leve movimiento
de un espejo ligado al órgano deformable sobre el que se refleja un rayo de luz. La desviación
del rayo reflejado viene ligada al giro del espejo (palanca óptica): 𝛿 = 2𝑙𝛼
Instrumentos de este tipo no encuentran fácil aplicación en el campo de viruta por lo delicados.
Figura 9
Dinamómetro a esquema óptico.
El espejo S, está ligado al órgano deformable.
33
Dinamómetros a transductores eléctricos:
Este tipo de instrumentos permite varias soluciones, según el tipo de transductor utilizado:
Transductor capacitivo: la parte móvil funciona como una armadura de condensador, cuya
capacidad de función (no lineal) de la distancia a la parte fija. La variación de capacidad puede
ser medida mediante un puente y un galvanómetro. Se puede obtener una elevada sensibilidad,
pero su empleo aun no es muy frecuente.
Transductor inductivo (diferencia): consiste en tres bobinas de transformador, montadas sobre
un eje común, y con un núcleo móvil también común. La corriente alterna llega a la bobina
central, y esta induce una f.e.m .en las dos bobinas secundarias. Las salidas de las dos bobinas
secundarias están conectadas de manera que opongan sus efectos, de forma que cuando el núcleo
está centrado, la señal de salida es nula.
Transductor magnético: el desplazamiento del punto A con respecto a la bobina B provoca una
variación de inductancia en la bobina misma. Si el cabezal de calibración (c) está preparado para
suministrar una corriente nula en (G), cada deslizamiento de (A) provoca una señal en (G).
Dinamómetros de cuarzo piezoeléctrico:
Están basados en el empleo de elementos de cuarzo piezoeléctrico y aprovechan la propiedad del
cuarzo de formar un campo eléctrico proporcional a la presión, de los anteriores dinamómetros,
porque intervienen la actividad del cuarzo que, solicitado por una fuerza, genera una carga
eléctrica sobre la superficie carga: se desvincula, por ello, la medida de la fuerza de la
deformación, la cual es normalmente muy reducida (milésimas de milímetros a la carga
máxima). Esto da lugar a una excepcional rigidez y frecuencias propias muy elevadas para el
sistema de medida.
Realizaciones constructivas:
34
El proyecto de dinamómetros extensiométricos debe ser realizado buscando la localización de las
deformaciones en la parte en donde se colocan las galgas. Se han construido varios tipos de
dinamómetros para las medidas de fuerzas de corte en el torneado; en forma de viga empotrada
con sección reducida; en forma rectangular o tubular.
Figura 10
Prototipo de dinamómetro para torno con galgas extensiométricas
En la (figura 10) se ilustra un dinamómetro para torno a dos componentes con cuerpo tubular,
con dos puentes extensiométricos con cuatro lados activos.
El dinamómetro es orientable alrededor de su propio eje, de forma que permitan su tarado con
pesos directos y capaces de realizar cualquier relación entre las componentes según las dos
direcciones principales ortogonales de medida. Las mediciones se pueden registrar
continuamente.
35
El mecanizado en torno es un proceso de deformación del material en que tienen lugar
deformaciones plásticas a grandes velocidades, es decir se requieren mediciones de tipo
dinámico, en el proceso de mecanizado por arranque de viruta se deben tener en cuenta
parámetros de corte, variaciones de acuerdo a la geometría del material a trabajar y las
herramientas de corte además de la temperatura con que se realiza el mecanizado y las
condiciones de la maquina en que se realiza. En este proyecto se ahondará en el proceso de
mecanizado por arranque de viruta que se realiza con el torno, AS 360/1000. (León Lemus,
2011)
3.6 PROCESO DE MECANIZADO
Teniendo en cuenta la demanda tanto productiva como tecnológica en el ámbito nacional
principalmente, la adquisición de herramientas que incrementen y mejoren la producción y el
desarrollo tecnológico universitario es uno de los propósitos y objetivos a nivel local de suma
importancia, es por ello que se debe aprovechar cada salto tecnológico que se dé, a favor del
impulso en la educación.
A lo largo del tiempo conforme el conocimiento la tecnología avanza, se ha requerido de
instrumentos de medición que nos proporcione datos que podamos observar, estudiar, evaluar y
poner al servicio de la misma tecnología en cuanto a todo lo que se refiera al mecanizado, con el
fin de lograr mayor precisión y minimizar los errores a la hora de conseguir el producto final.
Fundamentos del mecanizado en el torno
Los tornos permiten mecanizar piezas de forma geométrica de revolución. Estas máquinas-
herramienta operan haciendo girar la pieza a mecanizar mientras una o varias herramientas de
36
corte son empujadas en un movimiento regulado de avance contra la superficie de la pieza,
cortando la viruta de acuerdo con las condiciones tecnológicas de mecanizado adecuadas.
3.7 CLASES DE VIRUTAS
Se entiende por forma de virutas el aspecto exterior que presentan al remover material de una
pieza. La clase de procedimiento de trabajo, da lugar a diferencias en la forma de la viruta.
Tienen también influencia sobre esa forma el material de la pieza, la forma del filo y el material
del útil, la velocidad de corte, el avance y el medio refrigerante. Las virutas de torneado tienen
distintos aspecto que las de fresado, las de afinado son distintas que las de devastado y las virutas
de bronce no se parecen a las de acero. Según que predomine uno u otro de los procesos cabe
distinguir tres clases de virutas:
Viruta discontinua. Este caso representa el corte de la mayoría de los materiales frágiles tales
como el hierro fundido y el latón fundido; para estos casos, los esfuerzos' que se producen
delante del filo de corte de la herramienta provocan fractura. Lo anterior se debe a que la
deformación real por esfuerzo cortante excede el punto de fractura en la dirección del plano de
corte, de manera que el material se desprende en segmentos muy pequeños. Por lo común se
produce un acabado superficial bastante aceptable en estos materiales frágiles, puesto que el filo
tiende a reducir las irregularidades.
Las virutas discontinuas también se pueden producir en ciertas condiciones con materiales más
dúctiles, causando superficies rugosas. Tales condiciones pueden ser bajas velocidades de corte o
pequeños ángulos de ataque en el intervalo de 0° a 10° para avances mayores de 0.2 mm. El
incremento en el ángulo de ataque o en la velocidad de corte normalmente elimina la producción
de la viruta discontinua.
37
Viruta Continua. Este tipo de viruta, el cual representa el corte de la mayoría de materiales
dúctiles que permiten al corte tener lugar sin fractura, es producido por velocidades de corte
relativamente altas, grandes ángulos de ataque (entre 10º y 30º) y poca fricción entre la viruta y
la cara de la herramienta.
Viruta Continua con protuberancias. Este tipo de viruta representa el corte de materiales dúctiles
a bajas velocidades en donde existe' una alta fricción sobre la cara de la herramienta. Esta alta
fricción es causa de que una delgada capa de viruta quede cortada de la parte inferior y se adhiera
a la cara de la herramienta. La viruta es similar a la viruta continua, pero la produce una
herramienta que tiene una saliente de metal aglutinado soldada a su cara.
3.8 HERRAMIENTAS DE CORTE:
Figura 11
Partes de una herramienta de corte
a. Partes de una herramienta integral; b. Ángulos de una herramienta,
En la figura 11, se observan las partes principales de una herramienta integral y los distintos
ángulos: (α) ángulos de incidencia, (β) de filo y (γ) de ataque de una herramienta, la sumatoria de
estos ángulos deben ser igual a 90°
3.8.1 Tipos de herramientas de corte
Se construyen utilizando diferentes materiales que son:
38
Aceros al carbono endurecidos (templados). La aleación de hierro con carbono en proporciones
menores que el 2% y el tratamiento térmico del acero determinan sus propiedades, en cuanto a
dureza y resistencia mecánica, por lo que una gran parte del acero se fabrica con un estricto
control de contenido de carbono y se somete a tratamiento térmico posterior, para darle las
cualidades apropiadas de acuerdo al futuro uso.
Aceros aleados (HSS). Estas herramientas son aptas para trabajos a alta velocidad ya que son
resistentes al calor y no se deforman con facilidad. Entre los elementos aleantes principales se
encuentran el cromo y el vanadio, estos aceros son sometidos a un tratamiento térmico complejo
para lograr las mejores propiedades. De aceros rápidos se fabrican brocas, cuchillas de tornear,
fresas de corte, etc.
Carburo de tungsteno sinterizado. El carburo de tungsteno muy utilizado para fabricar piezas de
formas variadas las que soldadas a un soporte de acero y bien afiladas constituyen las
herramientas de corte más duras comúnmente. Se fabrican herramientas de corte con calzo de
tungsteno para trabajos muy pesados como son: perforado de rocas, cuchillas de tornear
materiales duros, brocas para concreto, cerámicas y vidrios, dientes para sierras circulares de
larga duración. El inconveniente principal de estas herramientas es que son de difícil reafilado y
que su fragilidad hace que no se puedan obtener bordes afilados.
Corindón (óxido de aluminio). Es una de las sustancias más duras que se conoce después del
diamante y se usa extensamente para la fabricación de abrasivos, papeles de lija y muelas de
afilado. Una capa gruesa de óxido de aluminio fabricada por electrólisis, sobre la base blanda de
una pieza de aluminio, puede hacer que el metal se comporte como extremadamente duro (resiste
al limado) lo que se aprovecha para la elaboración de las cuchillas de rasurado desechables.
39
Partículas de diamante. Estas herramientas son unas de las más caras y de muy buen
funcionamiento gracias a sus propiedades que lo hace muy resistente generalmente se utilizan
trozos pequeños para trabajar.
Cerámicas, nitruro de boro cúbico y diamante: Las cerámicas son materiales muy duros, pero que
mantienen cierta tenacidad. Se suelen utilizar para mecanizado de alta producción en condiciones
de corte muy estables. Un ejemplo es el torneado de discos de freno de automóvil. Se utilizan
varios tipos de cerámicas, las más comunes son la alúmina (Al2O3), el SIALON y el nitruro de
silicio (NSi). Si se requieren durezas todavía más altas, a costa de perder tenacidad, se emplean
los materiales compactos: Diamante policristalino (PCD) y el nitruro de boro cúbico
policristalino (PCBN). Dado el elevado coste de estos materiales, siempre se utilizan plaquitas o
insertos.
Es importante tener en cuenta las funciones del recubrimiento de las herramientas de corte, esto
con el fin de generar un análisis al momento de la selección del material y la herramienta:
• Aumentan la dureza de la superficie.
• Reducen el rozamiento entre herramienta y viruta.
• Protegen la herramienta de las altas temperaturas.
3.8.2 Tipos de recubrimiento utilizado en herramientas de corte:
Existe gran variedad de materiales utilizados en recubrimiento, y continuamente aparecen nuevos
compuestos y otros quedan obsoletos.
Prácticamente la mayoría de los recubrimientos se basan en el Nitruro de Titanio (TiN). En
función de la propiedad que se busca, se han desarrollado:
• TiCN: Más dureza que TiN.
• TiAlN: Recubrimientos más duros a mayores temperaturas que TiN.
40
• TiCAlN: Mejora de la fricción.(Bolufer, 2014)
Sin embargo, Lograr altas tasas de remoción de material es una prioridad para muchos
fabricantes, especialmente para los que atienden las industrias aeroespaciales y de fabricación de
moldes. Aunque las herramientas de corte de carburo y de acero rápido (HSS) son populares para
aplicaciones de desbaste en componentes grandes típicos en esos talleres, ambos tienen
desventajas.
A nivel productivo y de su competencia no está de más conocer dichas desventajas al momento
del desbaste: el carburo, puede ser frágil y presentar picado y fractura a altas velocidades y
avances. Y mientras el HSS es menos propenso a picarse, se puede ablandar y desgastar a las
altas temperaturas generadas en cortes pesados, especialmente en aplicaciones que involucran
titanio y otras aleaciones exóticas que tienen bajas tasas de transferencia de calor.
Herramientas de polvos metálicos: estas combinan las mejores características del carburo y el
HSS. En comparación con el HSS, los polvos metálicos ofrecen mayor resistencia al calor y al
desgaste, duran más tiempo y sólo resultan un poco más costosos, Los polvos metálicos, más
flexibles, les permiten a los usuarios operar con avances y velocidades más altos sin preocuparse
tanto por fracturar la herramienta. Además, las herramientas de polvos metálicos son menos
costosas que sus contrapartes de carburo, y son más resistentes al desgaste.(“Tipos de
recubrimientos,” n.d.)
3.8.3 GEOMETRÍA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE.
La geometría de la herramienta de corte influye enormemente en el mecanizado, incidiendo en el
desgaste y en la vida útil de la herramienta, calidad superficial y geométrica, potencia en el
mecanizado, entre las más importantes. Por lo tanto se obtienen desde simples cuñas hasta las
41
herramientas de corte con geometrías complejas. Las características de superficie y forma de las
herramientas de corte se mencionan a continuación:
Superficie de desprendimiento: Es la cara o superficie sobre la cual fluye la viruta.
Superficie de incidencia: Es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la
superficie transitoria generada en la pieza.
Arista principal de corte: Es la formada por la intersección de las superficies de
desprendimiento e incidencia.
Superficie de incidencia lateral: Es la superficie de la herramienta frente a la cual
queda la superficie generada en la pieza.
Arista lateral de corte: Es la formada por la intersección de las superficies de
incidencia lateral y de desprendimiento.
Punta de la herramienta: Es la parte de la herramienta donde se cortan la arista
principal y lateral de corte, la cual puede ser redondeada o achaflanada.(Avanzados,
2012)
3.9 FUERZAS DE CORTE EN EL MECANIZADO
El sistema de fuerzas que intervienen en un proceso tridimensional de corte de torneado consta
de tres componentes
Fc, fuerza de corte primaria, actuante en la dirección del vector velocidad de corte, esta fuerza es
la mayor y responde al 99% de la potencia requerida en el proceso.
42
Ff o Ft, fuerza de avance, actuante en dirección del avance de la herramienta. Esta acostumbra a
ser el 50% de Fc, pero responde solo a un pequeño porcentaje de la potencia necesaria ya que las
velocidades de avance suelen ser pequeñas a comparación de las de corte.
Fr, fuerza radial, perpendicular a la superficie mecanizada. Es del 50% de Ft y contribuye muy
poco a las necesidades de potencia.
Por otro lado, para el estudio de las fuerzas de corte existen varios métodos, hay dos que son los
más comunes:
Corte ortogonal: en la vida real los cortes son tridimensionales, con el fin de entender el proceso
se recurre a un modelo bidimensional como lo es el corte se denomina de esta manera ya que en
la operación el filo de corte es perpendicular a la velocidad relativa entre la pieza y la
herramienta.
Hay dos teorías que hacen el análisis acerca de este corte, una está basada en la región de
deformación ancha que describe el proceso a bajas velocidades. La segunda basada en el plano
delgado lo describe a altas velocidades.
Esta última tiene mayor utilidad práctica y supone lo siguiente:
La deformación es en dos dimensiones
Los esfuerzos en el plano de corte están uniformemente distribuidos.
La fuerza resultante R aplicada en la viruta, en el plano de corte es igual, opuesta y colineal
a la fuerza R aplicada a la viruta en la interface de la herramienta y la viruta.
La viruta es continua y no fluye hacia otro lado del plano de deformación.
La profundidad de corte es constante
Presión de corte.
43
Este establece que la fuerza de corte es directamente proporcional a la sección de la viruta no
deformada por una constante de proporcionalidad Ks llamada presión de corte:
Fc= Ks Ac
( 1)
Ac, es el espesor de la viruta no deformada (“E02-Fuerza-De-Corte-y-Potencia-De-
Mecanizado,” n.d.)
3.10 PARÁMETROS DE CORTE EN EL MECANIZADO
Velocidad de corte: La velocidad de corte (Vc) es la velocidad tangencial de la pieza de trabajo.
La velocidad máxima de corte se localiza en el diámetro exterior (D) y se obtiene a partir de la
siguiente expresión:
VC=𝜋 ∗ 𝐷𝑁
( 2)
N es la velocidad de rotación (rev/min)
Velocidad de avance: El Avance, es el movimiento del filo de la herramienta en una vuelta
completa de la pieza que se está torneando o por unidad de tiempo:
fn’ = fn n
( 3)
Dónde:
fn' = avance (mm/min)
44
fn = avance (mm/rev) n = revoluciones por minuto del husillo.
Profundidad de corte. Respecto a la profundidad de corte, se dice que es la capa de metal cortada
en una pasada de la cuchilla y se mide perpendicularmente a la superficie maquinada; se mide en
milímetros y se designa por la letra ap.
q = fn ap [mm²]
( 4)
Dónde:
q = sección viruta. (mm²)
fn = avance. (mm/rev.)
ap = profundidad de corte. (mm)
En la tabla 1, se muestran efectos cuando los parámetros de corte no son los adecuados:
Tabla 1
Efectos de parámetros de corte inadecuados
Parámetro Demasiado baja Demasiado alta
Velocidad de corte Filo recrecido
Embotamiento del filo Baja
eficiencia económica
Superficie mal acabada
Rápido desgaste
Deformación plástica
Avance Baja rentabilidad
Relación desgaste/material
eliminado alta
Acabado superficial
deficiente Elevado
consumo energético
Desgaste de cráter
45
Soldadura de la viruta
Profundidad de corte Genera vibraciones
Calor excesivo Baja
eficiencia económica
Consumo energético
elevado Fuerzas de corte
elevadas Rotura de
herramienta
Datos de parámetros inadecuados [14]
Potencia.
La energía por unidad de tiempo o potencia necesaria para el corte es:
P= Fc V
( 5)
Por lo tanto los caballos de potencia en el husillo de la maquina serán:
HP= Fc*V factor de conversión de unidades
En el corte de metales, se emplea mucho un parámetro llamado potencia unitaria o específica,
que es:
CVs= CV
VRM
( 6)
Donde VRM es la velocidad de remoción de material y es:
VRM= V f d ( 7)
F, es el avance, d es la profundidad de corte y V es la velocidad de corte.
Por medio de investigaciones de laboratorio ya se han determinado velocidades de corte para los
materiales más usados especificados en la tabla 2:
46
Tabla 2
Velocidades de corte
Material a
mecanizar
Herramienta de acero rápido
Rpm
Herramienta
de carburo
Rpm
Mecanizado a
grande vitesse
Rpm
Acero (resistente) 15 - 18 60 - 70 -
Acero dulce 30 - 38 110 - 140 -
Fundición (media) 18 - 24 70 - 85 -
Bronce 24-45 - -
Latón (recuit) 45 - 60 - -
Aluminio 75 - 400 150 - 1000 2000
Titanio 30 60 - 70 -
Datos generales de velocidades de corte [15]
Los factores que influyen en la velocidad de corte son:
• Calidad del material de los buriles y sus dimensiones.
• Calidad del material que se va a trabajar.
• Avance y profundidad de corte de la herramienta.
• Uso del fluido de corte (aceite soluble en agua).
• Tipo de montaje del material.
• Tipo de montaje de la herramienta.
Esta potencia especifica (CVs) de corte no es útil en la estimación de la fuerza, puesto que, este
valor lo podemos encontrar en tablas, para ciertos materiales, así, podemos despejar la potencia
(CV).
A continuación, encontraremos los valores para algunos materiales:
47
Datos de potencia para algunos materiales
Los datos de la siguiente tabla 4, son experimentales y se basan en la energía necesaria para
operaciones de corte en diferentes materiales (en el motor impulsor, corregida con un 80% de
eficiencia; multiplíquese por 1.25 para herramientas de corte desafiladas).
Tabla 4
Tabla de energía específica de los materiales
Valores de energía específica de algunos materiales
Tabla 3
Potencia unitaria (CVs)
48
Tiempos de mecanizado.
El tiempo de mecanizado se calcula por la siguiente ecuación:
t = 𝑙
𝑓𝑛 ∗ 𝑛
( 8)
Dónde:
t = tiempo (min)
fn = avance (mm/rev)
l = longitud de pasada (mm)
n = número de revoluciones (rev/min)
La comunidad universitaria ha dado cuenta de la demanda creciente para el mejoramiento en el
diseño y la precisión de los productos industriales, lo que ha llevado al desarrollo de varias
técnicas experimentales para determinar los esfuerzos a los que estos están sometidos. (Martin,
2002)
49
4. FABRICACIÓN
La fabricación y mecanizado de las piezas metálicas, como se mencionó anteriormente se
realizó por medio del proceso de torneado, taladrado y fresado con el equipo de la Universidad
Distrital Francisco José De Caldas, Facultad Tecnológica, Taller de Máquinas y Herramientas,
cada una de ellas con las medidas específicas de acuerdo a los planos tanto de la universidad
Nacional como los planos propuestos, de acuerdo al entorno de trabajo donde funcionará. Cada
una de las piezas tuvo un proceso de diseño con herramienta de corte porta buril e inserto de
tungsteno de referencia ISO DCMW070204, de esta manera se logró la finalización y ajustes
correspondientes de cada pieza para su respectivo ensamblaje.
4.1 TRATAMIENTO TÉRMICO
Para el tratamiento térmico que protege cada una de las piezas en acero, se debió seleccionar las
piezas en acero no en aluminio para realizarles tratamiento conocido como pavonado que protege
contra la corrosión dichas piezas metálicas de hierro mediante la formación de una capa de óxido
negro homogénea sobre toda la superficie de la pieza.
Provee al material baja reflectividad, resistencia a la abrasión y reduce la fricción mediante la
aplicación de un aceite protector con apariencia brillante.
Se le realizó a las piezas un proceso de pavonado por inmersión que se trata de la inmersión de
las piezas metálicas en una mezcla de nitrato de potasio y nitrato de sodio a temperaturas de
entre 310 y 350°C. Luego de llevar a cabo esta inmersión, las piezas son lavadas con jabón
caliente, con lo que termina el proceso de pavonado por inmersión.
50
5. INSTRUMENTACIÓN
La instrumentación que es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir,
controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en
éste; es realizada sobre el transductor de fuerza Fz y Fy (plano pieza 4), con galgas
extensiométricas uniaxiales constó de 8 galgas para hacer dos puentes de Winston que envía las
señales que produce la deformación de dichos sensores para luego ser convertidas de voltaje a
fuerza. La siguiente instrumentación se realizó con dos sensores sobre el transductor de fuerza
Fx (pieza plano 13), con galgas biaxiales. La conexión realizada entre estos elementos y por
último, y muy importante, el programa que se encarga de automatizar el proceso y de garantizar
la repetibilidad de las medidas. Que se evidenciará en el siguiente capítulo.
5.1. CONFIGURACIÓN DEL HARDWARE
Las galgas extensiométricas que usamos en el proyecto permiten relacionar las señales del
mundo real y sus análogas eléctricas. Para compatibilizar la información con un sistema digital,
se requiere de convertidores de datos del tipo ADC.
Para la lectura de magnitudes del mundo real como la fuerza, deformación, se usa arduinos en la
mayoría del casos, los cuales cuentan con entradas analógicas, con las que, través de sensores
medimos dichas magnitudes. Las dudas vienen, cuando nos planteamos que un ordenador o
microcontrolador en este caso, es un sistema digital y las magnitudes que deseamos medir son
51
analógicas, por ello necesitamos un sistema que pase de analógico a digital, el cual llamaremos
ADC (Analog digital coverter). Como es lógico Arduino cuenta con un ADC.
Usando un microcontrolador es muy fácil efectuar la programación, ya que se realiza desde la
computadora en un software y el PIC se coloca en una placa grabadora. Entonces, la conectamos
a la PC e ingresamos el código en hexadecimal que el microcontrolador va a tener.
El código usado en el proyecto fabricación de un dinamómetro para medir fuerzas cortantes en
torno, se realizó en el programa Arduino, que lee la lectura de las señales provenientes del
dinamómetro.
5.2. CONVERSOR A/D
Debemos tener en cuenta que un conversor análogo digital es un dispositivo electrónico que
convierte una entrada analógica de voltaje a un número digital. (Fallas, 2014)
Tipos de Conversores A/D
Conteo
Rastreo
Integración de rampa
Integración de doble rampa
Aproximaciones sucesivas
Resolución
Velocidad
Precisión
Costo
52
5.3. MICROCONTROLADOR
El Microcontrolador es un circuito integrado que es el componente principal de una aplicación
embebida. Es como una pequeña computadora que incluye sistemas para controlar elementos de
entrada/salida. También incluye a un procesador y por supuesto memoria que puede guardar el
programa y sus variables (flash y RAM). Funciona como una mini PC. Su función es la de
automatizar procesos y procesar información. En este caso información de metrología en un
entorno de procesos industriales mecánicos. (Marmolejo, 2017)
5.3.1. Elementos de un microcontrolador
Microprocesador.
Periféricos (unidades de entrada/salida).
Memoria.
Por esa razón, se decidió como mejor opción el uso de un Arduino UNO que tiene placa de
desarrollo de tamaño compacto, completo y compatible con protoboards, basada en el
microcontrolador ATmega328P. La placa está equipada con varios pines digitales o analógicos
de entrada/salida (I/O) que pueden estar interconectados a otras placas de expansión (shields) y
otros circuitos. La tarjeta tiene 14 pines Digitales, 6 pines Analógicos, y es programable con el
Arduino IDE (Integrated Development Environment) a través de un cable USB de tipo B. Puede
ser alimentado con el cable USB o con una batería externa de 9 voltios. Aunque acepta voltajes
53
entre 7 y 20 voltios. Es similar a Arduino Nano y Leonardo.(“Ventajas y desventajas de los
microcontroladores PIC,” 2013)
Las entradas analógicas que usamos son tres por lo tanto el Arduino se acomodó a las tres
señales que recibe de cada transductor Fx, Fy y Fz por medio de una sola entrada de USB.
Figura 12
Arduino Uno
El diagrama de bloques de la figura 13 muestra la secuencia desde que la variable física entra al
sistema hasta que es transformada a señal digital (código binario). Para dicha señal ingrese al
convertidor análogo - digital, ésta debe ser muestreada, es decir, se toman valores discretos en
instantes de tiempo de la señal análoga. Matemáticamente es el equivalente a multiplicar la señal
análoga por una secuencia de impulsos de periodo constante. Como resultado se obtiene un tren
de impulsos con amplitudes limitadas por la envolvente de la señal analógica.(Vallejo, 2014)
54
Figura 13
Conversor análogo digital
En este caso la señal de voltios de un rango de 0 – 5 V que nos entrega las galgas, es recibida
por Arduino con un microcontrolador ADC de 10 bits n = # de bit.(Fallas, 2014)
5.4. RESOLUCIÓN
Expresada en unidades de tensión, dependerá del escalón tomado como referencia con respecto a
los niveles de tensión dado por el número de bit, por ejemplo, con n bit, habrá 2^n niveles de
tensión. En la práctica corresponde el valor de un LSB (bit menos significativo).(Toledo, 2017)
( 9)
Como el microcontrolador usado es a 10 bits y la escala máxima es de 5 voltios, entonces:
𝑓𝑢𝑙𝑙 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒. 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 5
210 =
5
1024
( 10)
55
5.4.1. La linealidad integral y el de linealidad diferencial:
Teniendo en cuenta que un microcontrolador se mide por su resolución, analizando la gráfica de
transferencia entrada-salida en el caso ideal, el resultado es una línea recta formada por los
puntos de transición de los valores de entrada que determinan cambios de nivel en la salida.
Mientras más se ajuste el comportamiento real a esta recta, más preciso se considera al
convertidor o con mejor resolución. Entre mayor sea el n mejor resolución tendrá y más caro
será.
5.4.2 Amplificadores
El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia
puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a
su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de
Figura 14
Linealidad diferencial
56
medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales
propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le
requiere:
a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.
b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.(Drake,
2005)
Figura 15
Circuito de Amplificación
5.4.2.1 Características del Amplificador AD620
Amplificador de Instrumentación AD620
La ganancia es puesta con un solo resistor Rg (en el rango de 1 a 10 000)
Voltajes de operación de +2.3V a +18V.
Consumo de corriente de 1.3mA.
50µV máximo de Offset
Ancho de banda de 120kHz con G=100.
Es de bajo costo
Encapsulado DIP de 8 terminales
57
Es un amplificador monolítico con resistores ajustados por láser con una precisión del 0.15%.
Aplicaciones
Medidor de presión con puente de Wheatstone
Electrocardiógrafo
Medidor de temperatura con termopar (Ramirez, 2012)
La ganancia en un amplificador de instrumentación se establece mediante una o varias
resistencias. El fabricante debe proporcional la ecuación nominal que relaciona la ganancia y los
elementos externos.
( 11)
5.4.2 Filtros Activos Pasa Bajas
Los filtros son circuitos que permiten el paso de una determinada banda de frecuencias mientras
atenúan todas las señales que no estén comprendidas dentro de esta banda. Existen filtros activos
y pasivos. Los filtros pasivos sólo tienen resistencias, inductores y capacitores. En los filtros
activos, los cuales se usarán en el proyecto, utilizan transistores o amplificadores operacionales
además de resistencias, inductores y capacitores.
El filtro pasa bajas es un circuito cuyo voltaje de salida es constante, desde cero hasta llegar a
cierta frecuencia de corte, fc. Conforme la frecuencia va aumentando por arriba de fc, el voltaje
de salida se atenúa (disminuye).
58
Figura 16
Filtro pasa bajas
Gráfica de la magnitud del voltaje de salida de un filtro pasa bajas en función de la frecuencia
Figura 17
Amplificador con Filtro usado para la lectura de las galgas
Se usó un amplificador AD620
59
6. PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ COMPUTACIONAL
6.1 LABVIEW
Para la programación de la interfaz y la adquisición de datos se usó la licencia de LabVIEW
2016 el cual lee los datos de la tarjeta visa y por medio de la constante de calibración, hallada en
la siguiente sección, se obtienen los datos de voltaje en fuerza finalmente, recopilados en una
hoja de Excel para su respectivo análisis.
El uso de LabVIEW se dio ya que LabVIEW ofrece un enfoque de programación gráfica que
nos ayuda a visualizar cada aspecto de la aplicación, incluyendo configuración de hardware,
datos de medidas y depuración. Esta visualización hace que sea más fácil integrar hardware de
medidas de cualquier proveedor, representar una lógica compleja en el diagrama, desarrollar
algoritmos de análisis de datos y diseñar interfaces de usuario personalizadas.(2019, n.d.)
6.2. ARDUINO (SOFTWARE)
Software libre y extensible mediante librerías en C++. El software de Arduino es un IDE,
entorno de desarrollo integrado (siglas en inglés de Integrated Development Environment). Es un
programa informático compuesto por un conjunto de herramientas de programación.
El IDE de Arduino es un entorno de programación que ha sido empaquetado como un programa
de aplicación; es decir, consiste en un editor de código, un compilador, un depurador y un
constructor de interfaz gráfica (GUI). A demás incorpora las herramientas para cargar el
programa ya compilado en la memoria flash del hardware.
60
Para la lectura directamente desde el Arduino Uno se usó el sofware Arduino que realiza dicha
lectura de cada señal entregada F radial (Fx), F tangencial (Fy) y F longitudinal (Fz) en voltios,
LabVIEW reconoce cada señal que luego por medio del algoritmo creado y la constante de
calibración arroja la información en Newtons finalmente.(Vallejo, 2014)
61
7.0 CALIBRACIÓN
7.1 INTRODUCCIÓN
Calibración de un dinamómetro se trata la calibración de un sensor con fuerzas estáticas. No se
tiene en cuenta el aspecto dinámico. Como la relación entre la fuerza aplicada a un dinamómetro
y la medición de su señal de salida no se puede determinar con precisión en el momento de su
fabricación ni mediante cálculo, es necesario realizar una calibración del dinamómetro. Esta
operación consiste en establecer la relación precisa entre la fuerza aplicada al dinamómetro -
“magnitud de entrada” - y la señal eléctrica que suministra - “magnitud de salida".
Concretamente, la operación consiste en aplicar al dinamómetro fuerzas conocidas con precisión
y obtener los valores proporcionados por el equipo electrónico asociado al sensor. Los resultados
obtenidos se aportan en forma de una tabla de valores y una gráfica que permiten al usuario del
dinamómetro conocer el valor de la fuerza a partir de la indicación suministrada por el equipo
electrónico asociado.
La determinación de la incertidumbre asociada también forma parte de la calibración. Ésta se
establece de conformidad con la “Guía para la expresión de la incertidumbre de medición”,
elaborada por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM). La calibración se realiza
generalmente aplicando el protocolo definido por la norma ASTM E 74, cuya equivalente es la
ISO 376.
La calibración de un dinamómetro debe efectuarse con fuerzas de referencia en la unidad de
fuerza (el Newton), tal y como lo define el Sistema Internacional de Unidades (Si).
7.2 APLICACIÓN DE LOS ESFUERZOS AL SENSOR
El banco de calibración debe poder aplicar fuerzas unidireccionales en el eje de esfuerzo del
sensor. El eje mediante el cual se aplican las cargas debe tener un punto central de contacto con
62
las esferas de calibración. Esto con el fin de garantizar un solo punto de esfuerzo.
Independientemente de su calidad metrológica, un banco de calibración no genera nunca
esfuerzos perfectamente unidireccionales. En el sensor también se aplican componentes de
esfuerzo y de pares parásitos, debidos a las imperfecciones del banco. Las indicaciones
suministradas por el dinamómetro se encuentran afectadas según la sensibilidad del sensor con
respecto a dichos esfuerzos. La señal eléctrica aumenta o disminuye según la dirección de estos
componentes parásito. La importancia de la interacción entre el dinamómetro calibrado y los
esfuerzos parásitos generados por el banco de calibración se hace evidente mediante un
procedimiento particular.
Se realizan varias series de aplicación de esfuerzos y, entre cada serie, el sensor gira alrededor de
los puntos seleccionados para aplicar las cargas dependiendo de la fuerza que se aplique, radial,
tangencial o longitudinal. Las características geométricas y funcionales de las piezas mecánicas
de unión con el banco de calibración son esenciales y condicionan los resultados de la
calibración. Por consiguiente, deben definirse y describirse con precisión.
7.3 DISPOSITIVO ELÉCTRICO ASOCIADO AL SENSOR
Deben tenerse en cuenta dos casos, dependiendo de si el sensor cuenta con un dispositivo
eléctrico asociado o no. En este caso sólo hay que calibrar los sensores, para permitir la
alimentación eléctrica del sensor y medir la señal de salida. Las características y los ajustes de
estos dispositivos de alimentación y de medición deben definirse con precisión, de acuerdo con
el usuario del sensor. Hay que precisar las conexiones eléctricas realizadas. Debe garantizarse la
trazabilidad de las mediciones eléctricas en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Los
resultados de la calibración no se aplicarán a menos que el usuario asocie al sensor una cadena
de medición que presente características y ajustes similares a los obtenidos durante la
63
calibración, con una garantía similar a la de la trazabilidad eléctrica. En todos los casos, el
usuario del dinamómetro debe integrar en el cálculo de la incertidumbre las fuerzas medidas con
este dinamómetro los componentes que tienen en cuenta la sustitución del dispositivo eléctrico
asociado al sensor.
7.4 PRINCIPALES PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN DE UN DINAMÓMETRO
Identificación del sensor y de la instrumentación asociada al sensor, incluyendo los
cables de conexión.
El sentido de solicitación del sensor: tracción y/o compresión.
La naturaleza y las características de las interfaces mecánicas utilizadas para aplicar las
fuerzas.
El área de calibración definida por las fuerzas máximas y mínimas aplicadas.
Aplicación de las cargas crecientes únicamente, o crecientes y decrecientes.
Las condiciones de carga del sensor: precargas eventuales, tiempo de espera para
estabilizar la fuerza, tiempo de relajación entre dos series de carga, etc.
La incertidumbre de calibración o la clase de precisión buscada.
7.5 CARACTERÍSTICAS METROLÓGICAS
Las principales características metrológicas derivadas de una calibración son las siguientes:
La resolución del dinamómetro. Ésta corresponde al incremento más pequeño de
lectura de la indicación.
La repetibilidad de las mediciones. Ésta caracteriza la dispersión de las indicaciones
obtenidas durante varias series de mediciones para un mismo cojinete de carga,
efectuadas sin modificar la posición del sensor sobre el banco de calibración.
64
La reproductibilidad de las mediciones. Ésta caracteriza la dispersión de las
indicaciones obtenidas durante varias series de mediciones para un mismo cojinete de
carga, efectuadas sin modificar la posición angular del sensor entre las series de
mediciones.
La reversibilidad o histéresis. Caracteriza la diferencia las indicaciones obtenidas en
un mismo cojinete de carga mediante carga creciente y, después, decreciente.
Error de conformidad, interpolación o linealidad. Las indicaciones obtenidas en
función de las cargas aplicadas pueden modelarse mediante un polinomio que permita
calcular la señal suministrada por el dinamómetro para un valor cualquiera de la fuerza
en el área de la calibración. Las diferencias constatadas entre los valores medios de las
indicaciones derivadas en cada cojinete de carga y las dadas por el polinomio definen
los errores de conformidad o de interpolación, denominadas también error de no
linealidad si la modelación es una recta.
Fluencia bajo carga. Esta característica traduce el hecho de que la indicación derivada
bajo una carga mantenida constante evoluciona lentamente debido al hecho de un
comportamiento imperfectamente elástico del material y de los elementos detectores
del sensor. Esto implica una indecisión en relación con la indicación derivada. Para
paliar este inconveniente, se definen duraciones de mantenimiento de la carga y de
espera tras la suspensión de esta carga. Una evaluación de la importancia de este
fenómeno se lleva a cabo derivando en condiciones determinadas la indicación de
fuerza nula al final de cada serie de aplicación de las fuerzas en el sensor. Esta
característica es muy importante, ya que condiciona ampliamente la calidad de la
calibración.
65
7.6 RESULTADO E INCERTIDUMBRE DE CALIBRACIÓN
La mejor forma de dar el resultado de la calibración es suministrar al usuario del sensor un
polinomio de grado 1, 2 ó 3 que le permita calcular la fuerza en función de la indicación
suministrada por el dinamómetro. Por ejemplo, en el caso del grado 2, este resultado tiene la
forma siguiente: Donde: F es la fuerza aplicada al dinamómetro en unidades de fuerza (mN, daN,
kN, MN) a, b y c son constantes es la deformación del dinamómetro por la fuerza F Indicación
con fuerza F Indicación con fuerza nula Del mismo modo, la mejor expresión de la
incertidumbre de calibración tiene esta forma: U = incertidumbre ampliada sobre la fuerza F con
un factor de ampliación k = 2 A = constante expresada en unidades de fuerza B = constante sin
dimensión La incertidumbre de calibración se calcula teniendo en cuenta, como mínimo, las
componentes siguientes: - incertidumbre de las fuerzas aplicadas al sensor - resolución de la
indicación - repetitividad de las indicaciones - reproductibilidad de las indicaciones - la
separación de indicación de fuerza nula antes y después de aplicar una serie de cargas - la
temperatura y sus fluctuaciones durante la calibración - error de interpolación Estas distintas
componentes se evalúan en cada cojinete de fuerza y se calcula la incertidumbre combinada
correspondiente. A continuación, se aplica una regresión lineal en función de la fuerza a las
incertidumbres combinadas y el resultado se amplía con el factor de ampliación igual a 2.
Cuando el dinamómetro suministra indicaciones directamente en unidades de fuerza. Los
resultados de la calibración se indican generalmente en forma de errores de indicación para cada
cojinete de fuerza, con su incertidumbre correspondiente, que se establece teniendo en cuenta las
componentes citadas anteriormente. Los resultados de la calibración de un dinamómetro deben
estar acompañadas por todos los elementos necesarios para su comprensión y para utilizar
correctamente el dinamómetro. Deben precisarse todos los parámetros de calibración. Esto
66
incluye, en particular, el montaje mecánico de aplicación de los esfuerzos y los ajustes del
dispositivo indicador asociado al sensor.
7.7 RECOMENDACIONES DE USO
El uso de un dinamómetro debe realizarse respetando los parámetros definidos durante su
calibración. Todo cambio significativo, en relación con estas condiciones, va dirigido a anular
los resultados de la calibración. La incertidumbre respecto a la fuerza medida con un
dinamómetro calibrado debe evaluarse teniendo en cuenta lo siguiente:
La incertidumbre de calibración del dinamómetro.
Los componentes que caracterizan el dinamómetro y la medición realizada:
resolución, repetibilidad y reproductibilidad de las mediciones, efecto de la
temperatura, fluencia, etc.
Los componentes que resultan de una diferencia eventual en relación con las
condiciones de calibración: cambio del indicador de medición, procedimiento de carga
o aplicación de fuerzas diferentes, etc.
Un componente que haga intervenir la evolución de la sensibilidad del dinamómetro
desde la calibración anterior. La estabilidad en el tiempo de sensibilidad de un
dinamómetro no queda garantizada, por lo que resulta necesario proceder
periódicamente a su recalibración, en unos intervalos que dependen esencialmente del
sensor y del uso que se le vaya a dar. A título indicativo, la norma ISO 376
recomienda un intervalo no superior a 2 años.
Tener una manipulación cuidadosa con el instrumento de medición.
Montaje y ajuste suficientemente rígido y confiable para mayor precisión en las
mediciones.
67
Realizar pruebas con pastillas normalizadas.
Usar adecuadamente los elementos adicionales que complementan la lectura de las
fuerzas.
Promover el estudio de las características, funcionamiento y aplicaciones de las galgas
extensiométricas en el campo de las mediciones, por sus grandes ventajas y
versatilidad.
7.7.1 Condiciones de funcionamiento
Debe trabajar dentro del rango elástico, se recomienda un factor de seguridad mínimo de 1,5.
El material no debe ser afectado por las variaciones de temperatura.
68
8. METODOLOGÍA
8.1. Analizar el funcionamiento del dinamómetro en detalle y comprender cada uno de sus
componentes y sus funciones para adquirir los conocimientos suficientes, con el objetivo de crear
un dispositivo que haga la misma tarea.
8.2. Se debe realizar la investigación del diseño, antecedentes y funcionalidad del
dinamómetro a estudiar.
8.3. Realizar visita de campo a las instalaciones de la Universidad Nacional.
8.4. Visualización en físico del dinamómetro existente.
8.5. Permiso y registro de la información necesaria para llevar a cabo la apropiación del
dinamómetro y copia de su respectiva tesis “Selección y Construcción de un Dinamómetro para
Medición de Fuerzas en el Torneado” “José Saúl Cipamocha Garavito- Manuel Antonio
Montenegro Mier” año 1985 de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá D.C.
8.6. Cotización del material a mecanizar, en los distintos distribuidores nacionales.
Material: ACERO AISI-SAE 1045
8.7. Cotización y realización del tratamiento químico superficial conocido como pavonado.
(José Saúl Cipamocha Garavito- Manuel Antonio Montenegro Mier, 1985)
8.8. Definir las medidas y tamaño del material del dinamómetro de acuerdo al material (tesis)
base y al torno de la Facultad Tecnológica.
8.9. Determinar las herramientas de corte usadas en el proceso de mecanizado.
8.10. Realizar los ajustes dimensionales y con ello definir las máquinas con las que se contaría
para su elaboración.
8.11. Mecanizar pieza por pieza según planos y tolerancias para ensamblar el dinamómetro y
ajustarlo al torno de la universidad.
69
8.12. Modelar y ensamblar virtualmente, por medio del programa de dibujo NX de Siemens®,
los planos de las piezas diseñadas previamente.
8.13. Ubicar y alinear las piezas para realizar la verificación mecánica de los ajustes, previo al
montaje final.
8.14. Comparación detallada de acuerdo a la información existente actualmente, de los tipos
de sensores más adecuados, y que se ajusten a nuestras necesidades.
8.15. Cotización y compra de los sensores seleccionados en los distribuidores nacionales.
8.16. Verificar el funcionamiento del sensor instalado en condiciones específicas, respecto a
la operación y el medio ambiente en el que se realiza dicho ensayo.
8.17. Comprobar la facilidad de instalación del sensor.
8.18. Selección interna del hardware para sistemas se adquisición de datos como un periférico
al PC.
8.19. Configurar, poner a punto, comprobar señales desde los sensores.
8.20. Aprender y hacer uso de la plataforma de programación LabView®.
8.21. Comprobar su completa funcionalidad.
8.22. Verificar las capacidades de E/S Integradas.
8.23. Adelantar las pruebas sobre LabVIEW®, teniendo en cuenta que es un software de
ingeniería de sistemas para llevar a cabo medidas y control con acceso rápido a hardware e
información.
8.24. Realizar el software en LabVIEW®.
8.25. Implementar y verificar las señales enviadas de los sensores para su correcta
funcionalidad.
8.26. Estudiar y aplicar los protocolos existentes para calibración de los dinamómetros.
70
8.27. Realizar el correspondiente proceso de calibración,
8.28. Se realizará un ensayo con un acero AISI 1020, con medidas por establecer,
manteniendo constante el avance y número de revoluciones; para este ensayo se hará variar la
profundidad de corte, así se observará cómo se comporta la fuerza de corte respecto al cambio de
la profundidad. Es donde se comparará los resultados en el software, por otro lado, el avance será
la otra variable a medir teniendo la profundidad y la velocidad de rotación del husillo constante.
9. EVALUACIÓN FINANCIERA
Es necesario realizar la evaluación financiera en la cual se pueda observar la posibilidad viable
de la construcción de un dinamómetro para la medición de fuerzas de corte en el proceso de
torneado de piezas en el Laboratorio de Máquinas Herramientas de La Facultad Tecnológica de
la Universidad Distrital – Francisco José de Caldas. La evaluación financiera del proyecto juega
un papel fundamental, su objetivo es establecer la viabilidad económica del mismo,
determinando el rendimiento financiero de los recursos que se van a invertir; pero al realizarla, lo
más completa posible, no se garantiza que, al invertir el dinero estará libre de riesgo. El hecho de
calcular unas ganancias futuras, a pesar de realizar un análisis profundo, no garantiza que esas
utilidades se ganen, tal como se calculó. La elaboración de un proyecto de inversión tiene dos
etapas: la primera etapa es la de formulación, que trata de determinar los recursos que necesita el
proyecto para entrar en operación, los costos operacionales y de producción durante su vida útil.
La segunda etapa es la de evaluación financiera, que consiste en determinar la viabilidad del
proyecto bajo el punto de vista del inversionista.
71
9.1 TIPOS DE INVERSIONES
La puesta en operación del proyecto implica hacer una serie de inversiones previas. En un
proyecto de pre factibilidad o de factibilidad las inversiones se suelen clasificar en tres
categorías: inversiones fijas, diferidas y capital de trabajo. La fuente de ingreso para la ejecución
de la fabricación del Dinamómetro (para la compra de equipos, herramientas, licencias y gastos
71 operacionales) procede de los recursos propios y pagos futuros, fijos, diferidos y capitales de
trabajo así:
9.1.1 RECURSOS FIJOS
Estas inversiones se asocian a la construcción de obras de infraestructura, a la adquisición de
maquinaria, equipos, herramientas mobiliario, vehículos y compra de terrenos entre otros. Una
forma de obtener información detallada sobre ese tipo de inversiones es desagregar cada ítem en
sus elementos constitutivos y especificar cantidad valor unitario y valor real. Este tipo de
inversiones suele caracterizarse por ser depreciable, excepto el terreno cuando se trata de un
proyecto que implica la explotación de recursos naturales. En la mayoría de los proyectos, las
inversiones fijas constituyen el mayor porcentaje de las inversiones totales. Recursos Fijos para
el Dinamómetro
• Chasis
• Módulo de señal
• Strain Gauges
• Equipo mecánico
• Equipo Eléctrico
• Fungibles
72
9.1.2 RECURSOS DIFERIDOS
Están asociadas a los gastos hechos por anticipado, (antes de iniciar la fase operativa del
proyecto). Dentro de estas inversiones se destacan entre otras las siguientes: estudios previos a la
implantación (prefactibilidad, ingeniería de detalle), gastos de constitución, montaje, intereses en
72 el periodo preoperativo (si se aplican recursos externos), gastos de puesta en marcha,
publicidad previa a la fase operativa, imprevistos. Recursos Diferidos para el Dinamómetro
• Asesoría: Ing. John Forero, Nicol Palacios Montero, Whitney Torres Villalba
• Licencia Labview®
• Licencia SIEMENS NX®
9.1.3 CAPITAL DE TRABAJO
Tiene como objetivo fundamental garantizar el normal funcionamiento de la empresa.
Constituye el conjunto de recursos necesarios, en la forma de activos corrientes, para la
operación normal del proyecto durante un ciclo productivo, para una capacidad y tamaños
determinados. Capital de trabajo para el Dinamómetro Se garantiza el efectivo con los aportes de
los integrantes del proyecto para cubrir necesidades cómo:
• Pago de proveedores
• Materias primas e insumos
• Productos en proceso
• Productos terminados
• Materia prima Mecanizado
9.1.4 FLUJOS DE CAJA
Para llevar a cabo la evaluación financiera del proyecto sería necesario construir el flujo de caja
del proyecto. El flujo de caja es la sistematización de la información sobre la inversión inicial, 73
73
inversiones durante la etapa de operación, los ingresos y egresos operacionales y de producción,
y el valor de rescate del proyecto. El flujo de caja del proyecto no es otra cosa que el registro de
los desembolsos en efectivo que se presentan antes de la puesta en marcha, y de los ingresos y
egresos durante su operación.
La puesta en operación del proyecto implica hacer una serie de inversiones las cuales fueron
explicadas anteriormente, estas inversiones fueron realizadas para la fabricación de un único
dinamómetro el cual tiene única y exclusivamente fine académicos y en ningún caso se
pretenden establecer réditos económicos ni comerciales, más aun teniendo en cuenta que los
derechos morales y patrimoniales del diseño son de propiedad exclusiva de la Universidad
Nacional de Colombia.
9.2 MÉTODOS PARA LA EVALUACIÓN DE PROYECTOS
Existen dos tipos generales de métodos para realizar una evaluación financiera: Los métodos que
sí consideran el valor del dinero en el tiempo y los métodos que no consideran el valor del dinero
en el tiempo. En la actualidad, los métodos que sí consideran el valor del dinero en el tiempo han
demostrado mejores ventajas en actividades relacionadas con la industria y el comercio en la
toma de decisiones, para determinar si se justifica la inversión a realizar. Dentro de este tipo de
métodos, se destacan:
• El método del Valor Presente Neto (VPN).
• El método de Tasa Interna de Rendimiento (TIR).
• El método de la Relación Beneficio-Costo.
Ninguno de los métodos de evaluación que consideran el valor del dinero en el tiempo fue
aplicado al proyecto de fabricación del dinamómetro para medición de fuerzas de corte en el 74
torneado, por ser éste un proyecto netamente académico. De esta manera, el único interés de
74
medir sus ventajas es a través de la puesta en funcionamiento dentro de proyectos de
investigación Institucionales e Interinstitucionales, sin pretender, de esta actividad, rendimientos
académicos o retornos de inversión económica para los desarrolladores del proyecto o para la
Universidad Distrital – Francisco José de Caldas.
En la Tabla 5, se presenta el detalle de cada uno de los componentes de inversión alrededor del
proyecto de fabricación del dinamómetro. Adicionalmente se ha tenido en cuenta el incremento
basado en el IPC (se ha tomado 3,18% como IPC para el 2018, el cual es el último a la fecha de
redacción del presente informe) en caso de requerirse el valor de ejecución del proyecto en el año
siguiente. Quiere decir esto que, si quisiera replicarse la ejecución del proyecto en años futuros,
esta información servirá para establecer los nuevos valores incrementales reales de consecución
del proyecto.
75
Tabla 5
Inversiones y proyección estimada
Como información adicional se presenta la Tabla 6, en la cual se observa completamente
discriminado cada uno de los costos alrededor del proyecto de fabricación del dinamómetro.
76
Tabla 6
Costos del proyecto
77
10. CONCLUSIONES
Se puede decir que se han cumplido en forma satisfactoria todos los objetivos específicos,
se fabricaron todos los componentes mecánicos del dinamómetro para que pueda ser
acondicionado al Torno AS 360/1000 de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas, Facultad Tecnológica.
Basándose en la característica de la señal entregada por el transductor o galgas
extensiométricas, se implementó el hardware o microcontrolador que sea capaz de leer la
información, además, para administrar y transmitir la información, se logra desarrollar un
programa flexible que cumple dicha función.
Se incluyó el uso de un amplificador con filtros para que la lectura de la señal sea de
mejor manipulación, para respectivos cálculos, y además filtra el ruido consiguiendo que
el dato arrojado sea netamente señal de la deformación de la carga y no señales de ruido
externas al dispositivo.
Se familiarizó tanto con el programa de Arduino como con LabVIEW para la lectura y
conversión de señales de voltios a Newton.
El sistema de medición es ajustado y calibrado para poder ser implementado en cualquier
tipo de experiencia académica para laboratorio o para motivos de investigación, por lo
tanto, se cumple satisfactoriamente el objetivo general, se logra diseñar e implementar un
78
dinamómetro que mida la fuerza en las tres direcciones de corte para así ser usado en el
Taller de máquinas y herramientas de la Facultad Tecnológica.
Se logró por medio de mediciones y prueba tras prueba hallar los datos, gráficas y tablas
relacionadas a la calibración de cada uno de los transductores de fuerza para finalmente
obtener la constante que nos arroja los datos en unidad de fuerza.
Se puede realizar este tipo de proyectos en la universidad, pero si es necesario equipar
con más máquinas y dispositivos los laboratorios para una mayor eficiencia y
optimización de dichos proyectos para ahorrar tiempo y desplazamiento a diferentes
instalaciones ajenas a la universidad.
79
11. REFERENCIAS
¿Qué son las galgas extensiométricas? ¿Cómo se usan? (n.d.). Retrieved October 27, 2017, from
https://es.omega.com/prodinfo/galgas-extensiometricas.html
2019. (n.d.). ¿Qué es LabVIEW? Retrieved from https://www.ni.com/es-co/shop/labview.html
Avanzados, E. (2012). Universidad de santiago de chile, 1–36. https://doi.org/10.1088/1742-
6596/134/1/012001
Bolufer, P. (2014). Tipos de recubrimientos para herramientas. R&D Magazine. Retrieved from
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/127807-Recubrimiento-de-las-
herramientas-de-corte.html
Ciencias, F. De, Calderón, A., Dámaris, S., Rebaza, V., & Carlos, J. (2007). Universidad Nacional de
Trujillo. Lexus, 4(None), 37.
DISEÑO DE UN DINAMÓMETRO MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS.
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81
12. ANEXOS
12.1 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN X
12.2 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN Y
82
12.3 TABLAS DE CALIBRACIÓN EN Z
12.2 PLANOS
CD anexo
