INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE ... 2013.pdf · instituto politÉcnico nacional escuela superior de ingenierÍa mecÁnica y elÉctrica u.p. ticomÁn seminario

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA

Y ELÉCTRICA

U.P. TICOMÁN

SEMINARIO DE MANUFACTURA DE ALTA PRESICIÓN

DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA DE ENSAMBLE PARA UN AERORREACTOR JT8D, Y ANÁLISIS DE SUS PROPIEDADES PARA

PLANIFICAR SU MANUFACTURA.

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: SEMINARIO

DEBERÁ PRESENTAR: LOS C. PASANTES:

ALCALÁ HERNÁNDEZ ISAAC

CRUZ MONTERO ANDRÉS ABRAHAM

CUAUTLE SÁNCHEZ GAMALIEL ABENAMAR

DIRECTOR DE TESINA: ING. GUSTAVO ZAMUDIO RODRÍGUEZ

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INDICE

CAPITULO I. INTRODUCCION ............................................................................... 5

I.I Marco contextual: FAA, Lista de Capacidades de la Estación Reparadora. .... 5

I.I Introducción. ..................................................................................................... 5

I.II Revisiones Generales. .................................................................................... 5

I.III Revisiones de Manual. ................................................................................... 5

I.IV Aceptación de cambios por FAA. ................................................................... 6

I.V Métodos de Reparaciones. ............................................................................. 6

I.VI Autoevaluación. ............................................................................................. 6

I.VII JT8D ............................................................................................................. 7

I.VIII Situaciones problemáticas ........................................................................... 8

I.IX Planteamiento del problema .......................................................................... 8

I.X Determinación del problema ........................................................................... 8

I.XI Preguntas de investigación ............................................................................ 9

I.XII Objetivo general ............................................................................................ 9

I.XIII Objetivos específicos ................................................................................... 9

I.XIV Justificación ............................................................................................... 10

I.XV Método ........................................................................................................ 10

I.XVI Tipo de Investigación ................................................................................. 10

CAPITULO II. DETERMINACIÓN DE MATERIALES ............................................ 11

II.I Funcionamiento de la herramienta. ............................................................... 11

II.II Determinación de Materiales ........................................................................ 21

II.III Disco ........................................................................................................... 22

II.IV Plato de Restricción .................................................................................... 28

II.V Garra ............................................................................................................ 33

CAPITULO III. TOLERANCIAS DIMENSIONALES Y GEOMÉTRICAS ................. 40

III.I Introducción .................................................................................................. 40

III.II Tolerancias y ajustes ................................................................................... 41

III.III Aplicación de DG&T ................................................................................... 55

III.III.I Plato de Restricción.................................................................................. 55

II.III.II Garra ........................................................................................................ 56

III.III.III Disco ...................................................................................................... 59

3

CAPITULO IV. PROGRAMACION DE LA MANUFACTURA ................................. 63

IV.I Introducción ................................................................................................. 63

IV.II Materia prima .............................................................................................. 64

IV.III Maquinas ................................................................................................... 64

IV.IV Fresa ......................................................................................................... 64

IV.V Plato de Restricción .................................................................................... 65

IV.VI Aro bloqueador .......................................................................................... 81

IV.VII Acoplamiento hexagonal .......................................................................... 86

IV.VIII Disco ........................................................................................................ 89

IV.IX Garra ......................................................................................................... 95

IV.X Barra con cuerda ...................................................................................... 103

IV.XI Varilla Jaladora ........................................................................................ 106

CAPITULO V, DESPLIEGUE DE LA FUNCION DE CALIDAD ............................ 109

V.I Introducción ................................................................................................ 109

V.II Requerimientos del Cliente. ....................................................................... 110

V.II Matriz de Planeación ................................................................................. 110

V.II.I Importancia de Ponderación .................................................................... 110

V.II.II Puntuación Planeada de Satisfacción ..................................................... 112

V.II.III Factor de Mejora .................................................................................... 112

V.II.IV Argumento de Venta .............................................................................. 113

V.II.V Ponderación Relativa.............................................................................. 113

V.III Requerimientos Técnicos .......................................................................... 114

V.IV Interrelaciones .......................................................................................... 114

V.V Alcances .................................................................................................... 115

V.V.I Prioridades Técnicas ............................................................................... 115

V.V.II Puntos de Referencia Competitiva ......................................................... 115

V.V.III Objetivos ................................................................................................ 115

CAPITULO VI. CONCLUSIONES ........................................................................ 116

CAPITULO VII. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................... 118

CAPITULO VIII. ANEXOS .................................................................................... 119

VIII.I Anexo 1 “Plano de Detalle” ...................................................................... 119

VIII.II Anexo 2 “Ajustes recomendados y sus aplicaciones” ............................. 120

VIII.III Anexo 3 “Velocidades de corte en una superficie” ................................. 121

4

VIII.IV Anexo 4 “Velocidad de avance para fresadora” ..................................... 122

VIII.V Anexo 5 “Tablas para rosca métrica” ...................................................... 123

VIII.VI Anexo 6 “Velocidades de avance para torno” ........................................ 124

VIII.VI Anexo 7 “Despliegue de la Función de Calidad” .................................... 125

VIII.VII Anexo 8 “Tolerancias Dimensionales” .................................................. 126

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CAPITULO I. INTRODUCCION

I.I Marco contextual: FAA, Lista de Capacidades de la Estación Reparadora.

Actualmente se permite que los Operadores Aéreos desarrollen herramientas, herramentales, partes y hasta componentes que interactúan en las aeronaves de las cuales son operarios. Estos desarrollos deben de cumplir con un procedimiento y deben ser aprobados por la ley de acuerdo al tipo de matrícula, en este caso, “X” DGAC y “N” FAA, el cual les permite bajos costos y principalmente el desarrollo interno.

I.I Introducción.

Un Manual de Procedimiento de Lista de Capacidades (CLPM por sus siglas en inglés), se establece para servir como control de procedimientos para una Lista de Capacidades Controladas de una Estación Reparadora FAA (CLL), este programa intenta permitir a la Estación Reparadora presentar una lista de artículos que están dentro del alcance de un certificado de estaciones reparadoras, esto solo una vez que la estación reparadora ha realizado una autoevaluación de acuerdo a su propio manual. La estación reparadora debe realizar una autoevaluación para determinar que esta cuenta con las instalaciones, equipo, información técnica, procedimientos y personal capacitado para realizar los trabajos en los artículos, como es requerido por CFR apartado 145.

I.II Revisiones Generales.

La persona designada por la estación reparadora deberá presentar una nueva lista CCL a FAA, basada en reunir los requisitos previamente mencionados con 48 horas de anticipación. La estación reparadora no podrá comenzar con el mantenimiento de acuerdo con el requerimiento escrito sin previa autorización de FAA.

I.III Revisiones de Manual.

Las revisiones del manual serán realizadas y aprobadas por el responsable asignado a la estación reparadora, cada manual debe ser revisado y debe mantenerse actualizado. Aunado a esto, se debe generar un histórico que indique las razones de los cambios que se realicen.

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I.III.I CCL.

Apéndice A (Histórico de Cambios en lista de Control de Capacidades) servirá como control de revisión de CCL. Modificaciones al CCL serán realizados por medio de un listado de la aeronave o artículos que puedan recibir mantenimiento, organizados por, fabricante, modelo, numero de parte, numero de modelo y descripción.

I.IV Aceptación de cambios por FAA.

FAA, el principal inspector, y el administrador verificaran la capacidad de la estación reparadora para incluir artículos adicionales. Sera dada una copia del histórico de cambios del CCL al inspector para el histórico de FAA.

I.V Métodos de Reparaciones.

El mantenimiento, alteración o reparación de la totalidad de la lista de artículos debe ser desempeñado de acuerdo a la documentación del fabricante, operador aéreo u otro aprobado por FAA.

La estación reparadora no dará mantenimiento o alterara ningún artículo del cual no esté autorizado.

I.VI Autoevaluación.

La estación reparadora debe elaborar una autoevaluación de fabricación, elaboración, modelado o por número de parte para determinar si la estación reparadora tiene instalaciones, equipo, material, información técnica, procedimientos y personal capacitado para desarrollar el trabajo en los artículos como es requerido en CFR 14 parte 145. Esto será documentado en la Forma de Autoevaluación de Capacidades. La forma de autoevaluación será presentada como parte de cada revisión del CCL. La estación reparadora debe mantener una copia de la documentación de evaluación. (FAACapability)

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I.VII JT8D

El motor JT8D fue introducido a la industria de la aviación por “Pratt & Whitney” en los años 60, el cual es un motor Turbo-fan de bajo índice de derivación, este motor funciona como todas las versiones de motores turborreactores de un motor de turbina de gas, ya que la fuerza de propulsión proporcionada por este se rige por la tercera ley de Isaac Newton.

El JT8D se considera como un Turbo-fan de flujo axial el cual incorpora un diseño de doble eje. Tiene dos ensambles de rotación independiente coaxialmente conectados: un ensamble de rotación para el compresor de baja presión (LPC) que abarca las primeras seis etapas (seis pares de palas rotativas y estatores, incluyendo las dos primeras etapas que comprenden el ventilador frontal o fan); y un segundo ensamble rotativo para la sección del compresor de alta presión (HPC) que comprende siete etapas. El compresor de alta presión está conectado a la primera turbina delantera, que tiene una sola etapa. El ventilador (fan) frontal tiene dos etapas. El ducto anular de descarga para el ventilador recorre todo el motor, permitiendo que el aire que pasa por el ventilador salga junto a los gases de combustión por la misma tobera.

El motor JT8D con todas o gran parte de sus variantes existentes dentro de la aeronáutica son básicamente los mismos a excepción de pequeñas diferencias físicas, las cuales han sido a causa de la incorporación de los cambios.

Las especificaciones generales del motor son las siguientes:

Tipo: Turbo-fan

Tipo de cámaras de combustión: Can-anular

Numero de cámaras de combustión: 9

Longitud: 120.00’’/3048mm-154.00’’/3914mm

Diámetro: 49.2’’/1250mm

Compresor: Flujo axial de 13 etapas: 6 etapas de compresión de baja

presión (LPC) incluyendo 2 primeras del ventilador, 4 etapas del compresor

de baja, y 7 etapas del compresor de alta presión (HPC)

Turbina: tiene 4 etapas: 3 etapas de alta presión y 1 de baja presión

Relación de compresión: 16:1

Empuje aproximado: 18000-21000 lb (según el modelo)

Peso en seco (aprox): 3150-3500 lb (según la versión)

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I.VIII Situaciones problemáticas

Como bien sabemos, las aerolíneas deben contar con un permiso de Taller Aeronáutico para poder realizar trabajos de mantenimiento en alguna aeronave. Con el desarrollo de Capacidades, el fabricante del componente o de la misma aeronave, permite producir dentro del taller aeronáutico herramientas, componentes o consumibles que interactúan directamente con la aeronave.

Consideramos que existe una gran área de oportunidad en el desarrollo de herramientas internamente, ya que obtendremos grandes ventajas como son:

1. Disminución de tiempos administrativos,

2. Eliminación de tiempos de embarques de proveedores,

3. Eliminación del proceso de Materiales Ordenados a Solicitud,

4. La herramienta podrá ser ingresada a la lista de Capacidades del Taller

5. Ahorro significativo, actualmente en el mercado se cotiza la herramienta a

desarrollar en $6250 USD, a lo cual se suma el costo de embarque,

aduanas y tránsitos.

I.IX Planteamiento del problema

Colocar un empaque ubicado en un ensamble de la primera etapa de compresión de un motor aerorreactor del tipo JT8D.

I.X Determinación del problema

Para poder comprender el problema es necesario conocer el porqué de nuestra problemática, es por eso que a continuación se presentan algunas respuestas que pueden contestar los aspectos que se consideran dentro de este, los cuales son:

Para facilitar al personal de mantenimiento, el poder colocar la pieza

Para no dañar piezas circundantes dentro del motor, al momento de colocar

la pieza

Para asegurar la seguridad del personal de mantenimiento

Para disminuir tiempos administrativos y embarques de los proveedores

Para eliminar procesos de materiales ordenados por solicitud

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I.XI Preguntas de investigación

1. ¿Qué materiales se pueden utilizar para la construcción de esta

herramienta?

2. Con las fuerzas que actuaran sobre los elementos de la herramienta, ¿Qué

material permitirá obtener el factor de seguridad requerido?

3. ¿Qué materiales ofrecen las mejores propiedades mecánicas al someterse

a un mismo esfuerzo de compresión y torsión?

4. En base a su función y comportamiento, ¿Qué Tolerancias Dimensionales y

Geométricas deben ser aplicadas?

5. Para la planeación de la manufactura de la pieza, ¿Qué factores deben ser

considerados y que proceso se debe seguir?

6. ¿Qué materiales nos ofrecen la mejor relación costo-beneficio?

I.XII Objetivo general

Diseñar una herramienta que coloque un empaque ubicado en un ensamble de la primera etapa de compresión de un aerorreactor JT8D, analizar y comprobar con el uso de un software de elemento finito que las piezas de la herramienta, en función del material empleado, cumplirán con los esfuerzos requeridos, con el fin de planificar su manufactura.

I.XIII Objetivos específicos

1. Realizar un muestreo de materiales empleados en la industria para la fabricación de herramientas similares.

2. Seleccionar el material que cumpla con las mejores propiedades mecánicas para la manufactura de la herramienta.

3. Realizar el Análisis de Elemento Finito para los elementos más importantes que conforman la Herramienta. (Disco, Plato de Restricción y Garra)

4. Desarrollar planos de detalle de la herramienta. 5. Cálculo y aplicación de Tolerancias Dimensionales y Geométricas para los

elementos más importantes que conforman la Herramienta. (Disco, Plato de Restricción y Garra)

6. Diseñar el programa para la manufactura de cada una de las piezas que conforman la herramienta.

10

I.XIV Justificación

La gran oportunidad que las autoridades nacionales e internacionales otorgan a los Talleres Aeronáuticos para desarrollar su propias capacidades y depender en menor proporción de fabricantes, que a su vez contribuyen al crecimiento local en el campo del estudio de diseño y manufactura, lo cual se traduce en mayores oportunidades de empleo y el desarrollo de personal calificado que día con día permita que estos beneficios sean de mayor provecho para el operador.

Actualmente este desarrollo de Capacidades lo tienen muy pocas empresas y es un área de gran potencial de desarrollo tecnológico que cumpla con los estrictos requerimientos de seguridad aérea.

I.XV Método

Debido al tipo de problema que se presenta en ésta investigación se plantea el siguiente tipo de método de investigación a emplearse para su realización, el cual es por el método sistemático, este a su vez está dirigido a modelar el objeto mediante la determinación de sus componentes, así como las relaciones entre ellos. Estas relaciones determinan por un lado la estructura del objeto y por otro su dinámica. (Verdin, Método)

I.XVI Tipo de Investigación

Para esta investigación se ocuparan diferentes tipos de investigación, ya que uno solo no puede definir las metas que se desean alcanzar. Los tipos de investigación son los siguientes:

Investigación Tecnológica.

Investigación Experimental.

Investigación Prospectiva.

(Verdin, Tipos de Investigación)

11

CAPITULO II. DETERMINACIÓN DE MATERIALES

II.I Funcionamiento de la herramienta.

Primeramente debemos conocer la interacción que tendrá la herramienta con el motor, es primordial desarrollar el diagrama de fuerzas para poder realizar un correcto análisis de elemento finito en cada uno de los elementos que conforman la herramienta y conseguir en cada uno de ellos el factor de seguridad requerido.

La herramienta es analizada bajo la siguiente condición:

Carga = 500 libras (226.797kg)

La cual es tres veces la fuerza de instalación de piezas.

Los siguientes diagramas representan el trabajo de la carga real:

a) Garra

La pieza determinada como garra sostiene la parte del motor que se va a ensamblar.

12

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018, se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga es de 500 libras (226.797 Kg).1

Datos:

Espesor de pared T = 0.841 cm

Espesor t = 0.16 cm

Radio Raíz r = 0.05 cm

Número de garras N = 3

Fuerza Radio = 6.843 cm (a partir de modelos)

Momento brazo l = (7.084-6.843) 0.241 cm (a partir de modelos)

Ancho Largo de la mandíbula

L = 6.483 cm + (7.084cm- 6.843cm) =7.084cm

Unidad de Carga:

1 La información para efectuar el cálculo del factor de seguridad hace referencia “Roark´s

formulates for stress and strain”

13

Momento:

Unidad Modulo Resistente:

Flexión:

Área de corte:

Cortante:

Estrés combinado

Existe una tendencia a disminuir el factor , por lo que se aplica

14

b) Plato de Restricción

15

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018, se toma en

cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga es de 500 libras

(226.797 Kg).2

Condiciones Borde de Restricción

Valores Límite

11. Exterior del borde

libre, borde interior fijo.

, , ,

w= 226.797 kg

2 La información para efectuar el cálculo del factor de seguridad hace referencia “Roark´s

formulates for stress and strain”

16

41 > 2 req

c) Disco

17

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018 se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga de 500 libras. Se considera que la cuerda interna es M16x2.0.

D = Diámetro nominal = 1.6 cm

L = Longitud de compromiso = 0.8 cm

n = número de hilos por pulgada = 2

ƒ = 0,75 para el hilo de la ONU

> 2 req

18

d) Esparrago

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018 se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga es de 500 libras, aplicada a la cuerda interior del esparrago.

Compresión

Torque requerido para aplicar 500 libras3

Rosca externa4

D = Diámetro nominal = 1.6 cm

3 Machinery´s Handbook

4 Machinery´s Handbook pg.1721

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D min (3A) = 1.6cmX3= 4.8 cm

ƒ = 0,75 para el hilo de la ONU

e) Acoplamiento Hexagonal5

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018 se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga es de 500 libras para el acoplamiento hexagonal.

Condiciones Borde de Restricción Valores Límite

2c. Cilindro en casquillo cilíndrico

5 Roark séptimo Tabla 14.1. Preparados para el estrés y la tensión debido a la presión en o entre los

cuerpos elásticos.

20

Se considera un ajuste deslizante de Ø = 0,188 en la misma tolerancia magnitud para el agujero y el pin.

21

f) Perno de Acoplamiento

Para la determinación del factor de seguridad utilizando acero 1018 se toma en cuenta que el esfuerzo máximo es de 32000 psi y la carga es de 500 libras para el perno de acoplamiento.

II.II Determinación de Materiales

Para la determinación de los materiales, se realiza un análisis a las piezas más

críticas de la herramienta a desarrollar, los cuales son:

1.-Disco

2.-Plato de Restricción

3.- Garra

Estos análisis se desarrollaran con dos tipos de acero 1020 y 1018, los cuales son

requeridos por el usuario final.

1. 1020: Acero de mayor fortaleza que el 1018 y menos fácil de conformar.

Responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación.

La soldabilidad es adecuada. Por su alta tenacidad y baja resistencia

mecánica es adecuado para elementos de maquinaria. Norma involucrada

ASTM A108.

22

2. 1018: Este acero de bajo - medio carbono tiene buena soldabilidad y

ligeramente mejor maquinabilidad que los aceros con grados menores de

carbono. Se presenta en condición de calibrado (acabado en frío). Debido a

su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para

componentes de maquinaria. Está involucrado con la norma ASTM A108.

II.III Disco

Carga = 500 libras por requisitos de diseño, que se supone que esta es tres veces

la fuerza de instalación de piezas, manual seo v1/s7-33,

A) Acero 1020

Representación gráfica e indicación del valor de la carga aplicada, dónde y cómo

se aplican restricciones para el análisis utilizando el acero 1020.

1.-La placa se encuentra restringida en el centro, en el orificio roscado que se

acopla a la varilla roscada, de igual manera se aplica una fuerza, la cual es de 500

lb en cada una de las áreas de contacto con la garra.

PIEZA MATERIAL ESFUERZO

DE

FLUENCIA

(MPA)

ESFUERZO

MAXIMO

(MPA)

MAX

ESFUERZO

N/M2

FACTOR DE

SUGURIDAD

REQUERIDO

FACTOR DE

SEGURIDAD

ACTUAL

DISCO AISI 1020 205 351 193260064 2 1.82

DISCO AISI 1018 370 440 193260064 2 2.28

Restricción en el centro

23

2.- Para el análisis, se aplica una malla de tamaño fino (2 mm) sobre la superficie.

3.- Los resultados del análisis de desplazamiento permiten identificar que la

máxima deflexión es de 0.1154 mm, la cual se encuentra en el borde donde se

aplica la fuerza con las garras. Mientras que la mínima deflexión se encuentra en

el centro de la pieza y su valor es de 0 .001 mm.

Aplicación de la fuerza 500 lb donde tienen contactos las garras

24

4.- Los resultados del análisis de esfuerzos identifican que el máximo esfuerzo es

de 193260064 N/m2, el cual se encuentra en el borde de la cuerda de la pieza

donde también se encuentran las restricciones y en el caso del mínimo esfuerzo,

se encuentra en la periferia de la pieza 115154.7 N/m2.

25

5. El resultado del factor de seguridad es de 1.82, por lo tanto no es conforme a lo

requerido.

A) Acero 1018



1.-La placa se encuentra restringida en el centro y en el orificio roscado que se

acopla a la varilla roscada, de igual manera se aplica una fuerza de 500 lb en cada

una de las áreas de contacto con la garra.

Restricción en el centro

Aplicación de la fuerza 500 lb donde tienen contactos las garras

26

2.- Para comenzar el análisis, se aplica una malla de tamaño fino (2 mm) sobre la

superficie.

3.-Se observa en los resultados del análisis de desplazamiento que la máxima

deflexión es de 0.1126mm y esta se encuentra en el borde donde se aplica la

fuerza con las garras, mientras que para el caso de la mínima deflexión, se

encuentra en el centro de pieza donde su valor es de 0.001 mm

4.- En los resultados del análisis de esfuerzos se indica que el máximo esfuerzo es

de 193260064 N/m2 el cual se encuentra en el borde de la cuerda de la pieza

donde se encuentran las restricciones, mientras que para el caso del mínimo

esfuerzo, se encuentra en la periferia de la pieza 115154.7 N/m2.

27

5.-Se observa en los resultados que el factor de seguridad mínimo obtenido es de

2.28, el cual cumple con el factor de seguridad requerido.

28

II.IV Plato de Restricción


la fuerza de instalación de piezas, Manual SEO V1/S7-33,


DE

FLUENCIA

(MPA)

ESFUERZO

MAXIMO

(MPA)

MAX

ESFUERZO

N/M2

FACTOR DE

SUGURIDAD

REQUERIDO

FACTOR DE

SEGURIDAD

ACTUAL

PLATO DE

RESTRICCIÓN

AISI 1020 205 351 28669772 2 12.26

PLATO DE

RESTRICCIÓN

AISI 1018 370 440 20063020 2 21.93

A) Acero 1020



1.-En el caso del Plato de Restricción, la restricción se aplica en la superficie de

contacto entre la herramienta y el componente del motor, mientras que las cargas

se aplican en el centro de la parte superior del Plato de Restricción.

Restricción en la superficie de contacto con el motor

Aplicación de la carga en la parte central superior

29


superficie.

3.-Se observa en los resultados del análisis de desplazamiento que la máxima

deflexión es de 0.008604mm la cual se encuentra en centro de la pieza donde se

aplica la fuerza, mientras que para el caso de la mínima deflexión, esta se

encuentra en las restricciones de la pieza 0 .001 mm.

4.- De los resultados del análisis de esfuerzos, se observa que el máximo esfuerzo

es de 28669772 N/m2 y este se encuentra en el borde de la pieza donde se

30

encuentran las restricciones y en el caso del mínimo esfuerzo se encuentra en la

periferia de la pieza 33846 N/m2.

5.- El factor de seguridad mínimo obtenido es de 1.82, el cual no cumple con el

factor de seguridad requerido.

31

A) Acero 1018


se aplican restricciones para el análisis utilizando el acero 1018. La carga se

aplica sobre la cara superior de la placa como una reacción del par aplicado sobre

la rosca de la barra y la aplicación de la carga por la garra.

1.- En el caso del Plato de Restricción, la restricción se aplica en la superficie de

contacto entre la herramienta y el componente del motor, mientras que las cargas

se aplican en el centro de la parte superior del Plato de Restricción.


superficie.

Restricción en la superficie de contacto con el motor


32

3.-Podemos observar en los resultados del análisis de desplazamiento que la

máxima deflexión es de 0.008138 mm y esta se encuentra en el borde donde se

aplica la fuerza con las garras, mientras que en el caso de la mínima deflexión se

encuentra en el centro de la pieza donde su valor es de 0 .001 mm.

4.-En los resultados del análisis de esfuerzos, se observa que el máximo esfuerzo

es de 20063020 N/m2 y este se encuentra en el centro de la pieza donde se

aplica la fuerza, mientas que para el caso del mínimo esfuerzo se encuentra en la

periferia de la pieza 560690.3 N/m2.


33

5. El resultado obtenido para el factor de seguridad mínimo es de 21.93, el cual

cumple con el factor de seguridad requerido.

II.V Garra


la fuerza de instalación de piezas, manual seo v1/s7-33,


DE

FLUENCIA

(MPA)

ESFUERZO

MAXIMO

(MPA)

MAX

ESFUERZO

FACTOR DE

SUGURIDAD

REQUERIDO

FACTOR DE

SEGURIDAD

ACTUAL

GARRA AISI 1020 205 351 57221532

2 6.14

GARRA AISI 1018 370 440 57221532 2 7.69

B) Acero 1020



1.- La carga se aplica sobre la cara superior de la garra en la base donde se

sostiene la pieza del motor y la restricción se aplica en la ranura recta donde se

34

sostiene con tornillos, en el orificio roscado que se acopla a la varilla roscada de

igual manera se aplica la fuerza la cual es de 500 lb en cada una de las partes

donde hace contacto la garra.


superficie.

Restricción en ranura

La carga se aplica en la superficie de contacto con la pieza del motor

35

3.-Los resultados del análisis de desplazamiento muestran que la máxima

deflexión es de 0.0324mm y esta se encuentra en el borde donde se aplica la

fuerza de las garras, mientras que la mínima deflexión se encuentra en las ranuras

de sujeción y su valor es de 0.001 mm.

4.- Los resultados del análisis de esfuerzos muestran que el máximo esfuerzo es

de 57221532 N/m2 y este se encuentra en el borde de la cuerda de la pieza donde

se encuentra la aplicación de la fuerza y en el caso del mínimo esfuerzo, se

encuentra en la periferia de la pieza 15812.7 N/m2.

36

5.- Los resultados indican que el factor de seguridad mínimo es de 6.14, el cual no

cumple con el factor de seguridad requerido.

B) Acero 1018



1.- La carga se aplica sobre la cara superior de la garra en la base donde se

sostiene la pieza del motor, la restricción se aplica en la ranura recta donde se

sostiene con tornillos, en el orificio roscado que se acopla a la varilla roscada, de

igual manera se aplica la fuerza de 500 lb en cada una de las partes donde hace

contacto la garra.

37


superficie.

Restricción en ranura

La carga se aplica en la superficie de contacto con la pieza del motor

38

3.-Los resultados del análisis de desplazamiento muestran que la máxima

deflexión es de 0.03162 mm y esta se encuentra en el borde donde se aplica la

fuerza de las garras, en el caso de la mínima deflexión, esta se encuentra en las

ranuras de sujeción y su valor es de .001 mm.

4.- Los resultados del análisis de esfuerzo muestran que el máximo esfuerzo es

de 57221536 N/m2 y este se encuentra en el borde de la cuerda de la pieza

donde se encuentra la aplicación de la fuerza y en el caso del mínimo esfuerzo se

encuentra en la periferia de la pieza 1518128 N/m2.

39

5.- El factor de seguridad mínimo es de 7.69, el cual cumple con el factor de

seguridad requerido.

40

CAPITULO III. TOLERANCIAS DIMENSIONALES Y GEOMÉTRICAS

Un aspecto importante para la fabricación de las piezas de este proyecto es que cumplan los requisitos especificados en los planos, los cuales deberán ser; dimensiones, tolerancias, formas e incluso acabados superficiales.6

En este capítulo estudiaremos las tolerancias y el acabado o acabados superficiales de las piezas, así como los ajustes que deberán tener para poder interactuar con las demás piezas.

III.I Introducción

Las dimensiones de una pieza están siempre afectadas por una o varias tolerancias de fabricación las cuales van indicadas en la cota o por tolerancias generales especificadas en los planos, estas tolerancias deben ser lo más amplias posibles para el buen funcionamiento de la pieza dentro del ensamble. Esto se debe a que no es posible fabricar dos piezas exactamente iguales, esa variación dificulta el ajuste con el resto de las piezas, que a su vez tampoco son exactamente iguales entre sí.

Las tolerancias son el margen de error permitido en la fabricación, ya que esto permite la fabricación en serie de diferentes piezas, sin la necesidad de realizar el ajuste o los ajustes pieza a pieza, también permitiendo la intercambiabilidad de estas. La amplitud de las tolerancias puede determinar si se puede o no fabricar con determinado proceso una pieza. Algo muy importante es el costo de la fabricación ya que es indudable que para conseguir piezas con tolerancias muy pequeñas, serán necesarias maquinas más robustas, operarios más calificados, mejores herramientas, materiales de mayor calidad, etc., es por ello que se determinan unas tolerancias las cuales deberán ser lo más amplias posibles para que esto permita un buen funcionamiento al momento de ensamblar cada una de las piezas.

Al hablar de tolerancias se pueden distinguir entre tolerancias dimensionales, las cuales toman en cuenta el margen en el valor de la dimensión, y tolerancias geométricas, que son las que consideran el margen en la forma de un elemento y su posición con respecto a otros elementos.

El acabado superficial es muy importante para que una pieza pueda desempeñar correctamente su función o sus funciones, ya que está estrechamente relacionado

6 Anexo 1 ”Plano de Ensamble”

41

con las tolerancias y es difícil determinar una tolerancia si hay grandes huellas o marcas sobre las superficies. Una superficie puede ser el límite exterior sobre el cual se puede apoyar una pieza, circular un fluido, o simplemente estética. Distintas funciones que requieren distintos aspectos y distintos acabados superficiales.

Los acabados solo se pueden conseguir con un único proceso dependiendo del material de la pieza, ya que de lo contrario sería más laborioso obtenerlo por algún otro proceso lo cual podría aumentar el costo de fabricación de una pieza.

III.II Tolerancias y ajustes

Las tolerancias dimensionales fijan el límite inferior y el límite superior el cual se expresa en las dimensiones de una pieza. Estos límites los determinamos con el seguimiento de un sistema de normalizado, este sistema al cual determinamos seguir es el ISO.

Determinación de los ajustes en el extractor

a) Acoplamiento Hexagonal-Pin

La Norma ISO pone en disposición una ampliación de ajustes, necesarios para cumplir cualquier aplicación, estos se pueden agrupar en ajustes bastos, medios y finos.

Para este caso encontramos un acoplamiento hexagonal el cual tiene un barreno que atraviesa la pieza y por el cual se colocara un perno el cual debe de entrar a presión para evitar que este acoplamiento se libere del esparrago, para ello utilizamos la tabla de recomendaciones7 donde determinamos que tendrá que ser un ajuste fino considerando un sistema de agujero base puesto que es más fácil de alterar y maquinar el perno facilitando el ajuste.

El sistema de agujero base es aquel en el que todas las diferencias fundamentales del agujero o de los agujeros son iguales. La zona de tolerancia para el agujero está en la posición H (Esta posición se encuentra en la tabla de posiciones relativas de los limites, proporcionada por la norma ISO) y por lo tanto la diferencia inferior es 0 (EI= Diferencia inferior= 0) y el eje tiene posición variable para conseguir los distintos ajustes.

7 Anexo 2 “Ajustes recomendados y sus aplicaciones”

42

Por lo tanto:

EI=0: Cota mínima del agujero= Cota nominal

ES=IT: Cota máxima del agujero= Cota nominal + IT

Por lo tanto y considerando los datos que proporciona la tabla de recomendaciones se tiene la siguiente información.

5H7s6 Este ajuste nos determina que es un fino prensado, ya

que nuestra pieza deberá transmitir fuerzas y además se encuentra

inmóvil.

Por lo tanto podemos comenzar realizando el cálculo del agujero siguiendo una serie de sencillos pasos los cuales nos proporcionaran como resultado la tolerancia requerida para esta pieza, primero hay que considerar los datos de nuestro agujero los cuales son:

Diámetro 3-6 mm

H7 ES= +12µm

EI= 0 Datos extraídos de la tabla para agujeros, proporcionada por la norma ISO

9

8 Anexo 2 “Ajustes recomendados y sus aplicaciones”

9 Anexo 8 “Tolerancias Dimensionales”

Tipo Sistema

agujero base Montaje Aplicaciones

Fino H7-s6, r6 Prensado

(presiones medias)

Coronas de bronce en cubos de fundición, cojinetes sobre carcasa,

ajusten indeterminados con chavetas

Sección extraída de la tabla de ajustes recomendados y sus aplicaciones8

43

Este dato nos menciona que se trata de un diámetro nominal de 5mm con una posición relativa de su zona de tolerancia en “H”. El número 7 hace referencia a la calidad de la tolerancia y de esta manera y tomando en cuenta que se consideró el sistema de agujero base, podemos encontrar el IT (Intervalo de tolerancia) utilizando las tablas que proporciona la norma ISO, por lo tanto este valor será de:

Datos extraídos de la tabla de calidades proporcionada por la norma ISO

Conociendo estos valores podemos calcular los intervalos EI y ES, proporcionado por la tabla ISO, que son los siguientes:

Con estos datos podemos determinar tanto la cota mínima como la cota máxima del agujero, obteniendo de esta manera los siguientes valores:

Estos valores son los que deberán ser considerados para poder realizar el maquinado de la pieza, ya que esto permite su intercambiabilidad.

Diámetro 3-6 mm

IT7 12µm

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Después de esto podemos proceder a calcular las tolerancias que deberá tener el eje de esta sección, el cual se trata de un perno como se puede observar en la siguiente imagen.

Las características para el eje son las siguientes:

∅5s6

Estos datos nos proporcionan información muy importante para la pieza, ya que nos menciona que el diámetro nominal de nuestra pieza es de 5mm con una posición relativa en una zona de tolerancia “s”. El número 6 hace referencia a la calidad de nuestra tolerancia, por lo tanto al observar la tabla que proporciona la norma ISO de las tolerancias principales, esta será de:

Por lo tanto, y considerando la tabla de diferencias fundamentales para ejes, proporcionada por la norma ISO, los valores de es y ei son los siguientes:

Teniendo conocimiento de estos valores se pueden determinar tanto el diámetro máximo como el diámetro mínimo de nuestro eje, el cual tendrá los siguientes valores:

Diámetro 3-6 mm

s6 es= 0

ei= +19µm

Datos extraídos de la tabla para ejes proporcionada por la norma ISO

Diámetro 3-6 mm

IT6 8µm


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Estos valores son los que deberán ser considerados para poder realizar la manufactura de nuestro eje, y por lo tanto quedaran de la siguiente manera.

Finalmente, conociendo los datos tanto de nuestro agujero como de nuestro eje, podemos realizar el ajuste con apriete, ya que este marca que debe de ser calculado cuando el valor de la dimensión del eje es mayor a la dimensión del agujero, lo cual podemos observar en los cálculos hechos anteriormente, por lo tanto los datos que se obtendrán son los siguientes.

En la siguiente imagen se pueden apreciar tanto el apriete mínimo como el apriete máximo al momento de ensamblar tanto el eje como el agujero.

46

b) El otro elemento al cual se le deben realizar el cálculo de tolerancias es el

diámetro externo de la garra con el diámetro interno del aro bloqueador con

un ajuste fino, esto es con la finalidad de que el aro bloqueador no permita

que se abra más de lo que deben las garras tanto en uso como en estado

de reposo.

Utilizamos el mismo procedimiento realizado para el acoplamiento hexagonal-pin, por lo tanto para este caso se determina con el uso de la tabla que se trata de un ajuste fino en el cual las piezas tendrán una liguera movilidad, por lo tanto será un ajuste con juego indeterminado, y estará definido de la siguiente manera.

158H7g6 estas características determinan que se trata de un juego débil,

ya que nuestras piezas tendrán una liguera movilidad, permitida para su

buen funcionamiento.

Tipo Sistema

agujero base Montaje Aplicaciones

Fino H7-g6, f7 Móvil con juego

apreciable Engranajes deslizantes, cojinetes,

guías

Sección extraída de la tabla de ajustes recomendados y sus aplicaciones

Se comienzan a realizar los cálculos debidos para esta sección, comenzando con nuestro agujero, esto será de la siguiente manera.

Diámetro 120-180 mm

H7 ES= +40µm

EI= 0 Datos extraídos de la tabla para agujeros proporcionada por la norma ISO

Este dato nos proporciona información de suma importancia para esta pieza, ya que el diámetro nominal considerado es de 158mm y se encuentra en una posición relativa de su zona de tolerancia en “H”. El numero 7 nos indica la calidad de nuestra tolerancia, por lo tanto ingresando estos valores a la tabla proporcionada por la norma ISO podemos determinar el valor que esta tendrá, que será el siguiente.

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Utilizando nuestro criterio de sistema agujero-base, podemos encontrar los ES y EI utilizando la tabla ISO para agujeros, es esto son:

Con estos datos podemos determinar tanto la tolerancia mínima como la tolerancia máxima del agujero, obteniendo de esta manera los siguientes valores:


Al finalizar esto podemos pasar a realizar los cálculos de nuestro eje, el cual se trata de la garra, como se puede observar en la siguiente imagen


g6 es= -14µm ei= -39µm



IT7 40µm

1Datos extraídos de la tabla de calidades proporcionada por la norma ISO

48

Las características para nuestro eje son las siguientes:

Estos nos dice que el diámetro nominal de nuestro eje es de 158mm con una posición relativa de su zona de tolerancia en “g”, por lo tanto al observar la tabla de posiciones de la norma ISO, podemos determinar que el límite o los límites que se utilizaran para esta pieza serán negativos. Además el número 6 nos menciona la calidad de nuestra tolerancia, conociendo estos valores podemos ingresar a la tabla de la norma ISO para determinar el valor del intervalo, el cual será de:


Como bien sabemos para este caso se está tomando en cuenta el sistema agujero base, por lo tanto la desviación superior para nuestro eje será considerada de 0mm. Teniendo conocimiento de estos valores se pueden determinar tanto el diámetro máximo como el diámetro mínimo de nuestro eje, el cual tendrá los siguientes valores:



IT6 25µm


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Finalmente, conociendo los datos tanto de nuestro agujero como de nuestro eje, podemos realizar del ajuste requerido para estas piezas, en este caso como la dimensión del eje puede ser mayor o menor a la del agujero dados los datos obtenidos anteriormente, se determina que se trata de un ajuste intermedio, por lo tanto se proceden a calcular los siguientes valores.

En la siguiente imagen se podrán observar el juego máximo que tendrá nuestra pieza al momento de ser ensamblados tanto el eje como el agujero.

50

A continuación se muestra el juego mínimo que deberán tener nuestras piezas al momento de ser colocadas en sus respectivas posiciones.

c) La siguiente determinación es el “slot” de la garra con el diámetro del

tornillo par, aunque puede ser un ajuste leve apretado. Este cálculo se

determinara como un eje base.

Como ya se mencionó para este caso se utilizara el sistema de eje base en el cual

todas las diferencias fundamentales de todos los ejes serán iguales. La zona de

tolerancia para el eje se encuentra en la posición “h” y por lo tanto la diferencia

superior es 0 (es= Diferencia superior= 0) y el agujero tendrá la posición variable

para conseguir los distintos ajustes.

Por lo tanto:

es=0: Cota máxima del eje= Cota nominal

ei=it: Cota mínima del eje= Cota nominal + it

Conociendo esto podemos determinar la información requerida para el cálculo de

tolerancias, con el uso de la tabla de recomendaciones podemos determinar que

se tratara de un ajuste basto definido de la siguiente manera.

8H11h11 se trata de un ajuste basto con un juego pequeño y el cual

contara con una gran tolerancia.

51

Tipo Sistema eje

base Montaje Aplicaciones

Basto H11-h11, h9 Deslizante (juego pequeño y gran

tolerancia)

Piezas de maquinaria sujetas por chavetas o tornillos, separadores,

bisagras

Sección extraída de la tabla de ajustes recomendados y sus aplicaciones

Se comienza realizando los cálculos del agujero con la información anteriormente

proporcionada.

Diámetro 6-10 mm

H11 ES= +90µm EI= 0µm

Datos extraídos de la tabla para agujeros proporcionada por la norma ISO

Los datos nos mencionan que el diámetro nominal de nuestro eje es de 8mm, y se encuentra en una posición relativa de su zona de tolerancia en “H”, por lo tanto al observar dicha tabla podemos ver que los valores del límite o los límites para el agujero serán positivos. El número 11 nos indica la calidad de nuestra tolerancia, por lo tanto al utilizar los valores que se encuentran aquí en la tabla proporcionada por la norma ISO, podemos determinar que el IT será de:

Ahora bien procedemos a utilizar la tabla de tolerancias para agujeros proporcionada por ISO, con la cual determinamos los siguientes valores:

Diámetro 6-10 mm

IT11 90µm


52

Con estos datos podemos determinar tanto la tolerancia mínima como la tolerancia máxima del agujero, obteniendo de esta manera los siguientes valores:


Finalizada esta parte, procedemos a realizar los cálculos de nuestro eje, el cual para nuestro caso es el tornillo, los valores de este son los siguientes:

Diámetro 6-10 mm

h11 es= 0 ei= -90µm


Estos datos nos indican que el diámetro nominal de esa sección del tornillo es de 8mm, con una posición relativa de su zona de tolerancia en “h”, lo cual al observar la tabla de posiciones relativas proporcionada por la norma ISO nos permite ver que el límite o los límites del eje son negativos. El número 11 nos proporciona la calidad de nuestra tolerancia y por lo tanto al utilizar estos valores dentro de la tabla de tolerancias de la norma ISO podemos determinar el IT, el cual será de.

53


Como bien sabemos para este caso se está tomando en cuenta el sistema de eje base, por lo tanto la desviación superior para nuestro eje será considerada de 0mm. Teniendo conocimiento de estos valores se pueden determinar tanto el diámetro máximo como el diámetro mínimo de nuestro eje, el cual tendrá los siguientes valores:


Dado que los valores obtenidos tanto para eje como para agujero son iguales podemos concretar que se trata de un ajuste con juego, ya que este menciona que las dimensiones tanto del eje como del agujero son iguales, por lo tanto procedemos a calcular estos valores, los cuales son:

Diámetro 6-10 mm

IT11 90µm


54

Estos juegos podrán ser observados en las siguientes imágenes. La primera imagen muestra el juego máximo de nuestra pieza, este se encuentra entre las posiciones del agujero y el eje.

Después de esto podemos observar el juego mínimo que tendrán nuestras piezas al momento de ser colocadas en sus respectivas posiciones.

55

III.III Aplicación de DG&T

El uso de las tolerancias geométricas y dimensionales es imprescindible para el diseño y fabricación de artículos. Están enfocadas en describirlos, y también para dar un cierto margen de error aceptable para su fabricación, para así aumentar la productividad y la calidad, así como disminuir costos y pérdidas.

Para este trabajo se toman como referencia las siguientes normas y los requerimientos mandatorios que el fabricante del motor expresa en sus manuales. • ASME Y14.5M-1994 2D • ASME Y14.41 –3D ISO • Norma UNE 1121-1:1991

III.III.I Plato de Restricción

En esta condición se indica que en la superficie referenciada, la tolerancia debe de estar a 90° sobre el plano donde está indicado el datum A, el cual nos sirve para controlar la geometría, este es indicado puesto que el Plato de Restricción entra en el motor. 10Tolerancia de Perpendicularidad

Perpendicularidad. Condición de una superficie, centro de plano, o eje el cual es exactamente 90º con respecto al Datum o al eje. Zona de Tolerancia de Perpendicularidad. Puede ser aplicada a alguno de los siguientes tipos:

Zona de Tolerancia entre 2 planos paralelos

Zona de Tolerancia con forma cilíndrica

10

“Dimensionamiento Geométrico y Tolerancias”. Ford Automotive Operations

Orientación Perpendicularidad Si

Puede ser modificado

para MMC o LMC si aplica

a un eje o a un centro de

plano de una

característica de tamaño.

Relación de más de una

caracteristica de Datum

debe ser considerada

para estabilizar la zona de

tolerancia en más de una

dirección

Tipo de

Tolerancia

Característica y

Símbolo

Datum de

Referencia

Modificadores

Permitidos

Forma de la zona de

Tolerancia Puntos Clave

56

Zona de Tolerancia entre 2 líneas paralelas

II.III.II Garra

En este caso aplicamos una tolerancia de forma que es planicidad. Se considera con el fin de tener un óptimo contacto y que no se presente ningún desnivel, con esto, permitir la extracción de la pieza de una manera más uniforme. De igual manera se utiliza una tolerancia de orientación, la cual define una zona en la que el eje central varía de la posición real donde los datums son las dimensiones básicas que posicionan este. Es importante ya que es un diseño exclusivo para esta parte del motor así que no puede presentar variaciones o de lo contrario no cumplirá con las medidas para poder interactuar con el motor.

57

11Tolerancia de Posición

Posición. Un término usado para describir la perfecta (teóricamente) localización de características individuales en relación con un datum de referencia u otras características. Posición de zona de tolerancia. Una zona sin la cual el centro, eje o centro de plano de una característica de tamaño seria perimitida variar desde su verdadera (teóricamente) posición. Posición- como aplicación de elongación de agujeros.

11

Dimensionamiento Geométrico y Tolerancias”. Ford Automotive Operations

Orientación Posición Si

MMC o LMC pueden ser

especificadas con

respecto a la tolerancia

individual y el Datum de

referencia si aplica.

Con el MMC modificador:

1. Permite técnicas

funcionales de

calibración 2. Permite

tolerancia adicional

basada en tamaño (bono)

3. Relativamente

económico

Tipo de

ToleranciaCaracterística

Datum de

Referencia

Modificadores

Permitidos

Forma de la zona de


58

12Tolerancia de Planicidad

Planicidad. Condición de una superficie teniendo todos los elementos en un plano. Planicidad de zona de tolerancia. Es definida por dos planos paralelos sin los cuales la superficie entera debiera yacer.

12

Dimensionamiento Geométrico y Tolerancias”. Ford Automotive Operations

Forma Planicidad Ninguno Ninguno

1. Compara a una

perfecta contraparte de sí

misma (plano)

2. No adhiere tamaño o

límites de localización

3. Sin orientación

particular

Tipo de

ToleranciaCaracterística

Datum de

Referencia

Modificadores

Permitidos

Forma de la zona de


59

III.III.III Disco

Para el disco se utiliza la tolerancia de forma planicidad. Es importante para obtener uniformidad al momento de interactuar entre la herramienta y la sección del motor, de misma manera esta forma proporciona protección al motor. También se utiliza una tolerancia de orientación, está define una zona en la que el eje central varía de la posición real donde los datums son las dimensiones básicas que posicionan, esto es importante puesto que es un diseño exclusivo para esta parte del motor por lo que no puede presentar variaciones o de lo contrario no cumplirá con la medidas para poder interactuar con el motor.

Para las cajas se toma de referencia la siguiente tabla, para determinar el tamaño de los alojamientos.

60

TAMAÑO DE CAJA Y BARRENO PARA TORNILLO ESTÁNDAR MÉTRICO

Tamaño Nominal o Básico Diámetro del

Tornillo

Tamaño Nominal del Agujero

Diámetro Caja X

Diámetro Avellanado Y

Apretado Normal

M6 6.4 6.8 11.25 6.8

M16 16.5 16.8 - -

Para el cuerpo utilizaremos la tabla “Tabla 4.0.20 Holguras de tornillería métrica estándar. Fuente:27th Edition Machinery´s handbook.”de recomendaciones:

HOLGURAS RECOMENDADAS PARA AGUJEROS DE TORNILLOS MÉTRICOS

Diámetro Nominal. D y Paso de la cuerda

Holgura de agujeros

Apretado Normal Flojo

M6 x 1.0 6.4 6.6 7

M16 x 2.0 16.5 17 18

Se define la medida de las brocas estándar a utilizar:

Tornillo Broca p/alojamiento cuerpo mm

Broca p/alojamiento cabeza mm

M6 6.5 10.5

M16 16.5 -

61

Se aplicara el rango maximo de tolerancia para el diametro del alojamiento, esto con el objeto de que a mayor rango de tolerancia no se afectara la funcionalidad de nuestro ensamble, las tolerancias son:

Tornillo tolerancia mm

Ø de barreno mm

M6 0.22 6.72

M16 0.27 16.77

Con estos valores y basandonos en la norma ASME Y14.5-2009 obtenemos nuestros valores de tolerancia de posición para alojamiento de tornillo y barreno para cuerda.

donde;

H dimensión del agujero,

F el diametro maximo del tornillo

T la tolerancia

Obteniendo los siguientes valores:

Tornillo tolerancia mm

Ø de barreno mm

Tolerancia de posición

M6 0.22 6.72 0.35

M16 0.27 16.77 0.38

62

Para este caso determinamos que la calidad de rugosidad en la superficie de

contacto que se aprecia en la garra sea con base a la norma UNE 82301:1986

(rugosidad superficial parámetros), y las reglas generales para la determinación de

las especificaciones puesto que nos indica que el valor de 3.2 es el adecuado

puesto que está sometida a fatiga y especialmente porque esa parte tiene

contacto directo con el motor y sirve para no maltratar esa parte del motor, de

igual manera a este acabado se le considera de apoyo puesto que requiere que la

superficie sea lisa y regular.

63

CAPITULO IV. PROGRAMACION DE LA MANUFACTURA

IV.I Introducción

La palabra manufactura proviene del latín “manus-factus”, la cual significa “hacer

con las manos, desde su aparición la humanidad siempre ha tratado de mejorar la

calidad de vida de las personas, es por esa razón que la manufactura se ha ido

desarrollando y evolucionando desde los inicios hasta nuestros días.

La manufactura es la aplicación de procesos químicos y físicos que afectan o

alteran la geometría, propiedades o aspecto de un material para la obtención de

un producto o pieza final que se requiera, de esta manera se genera un valor

sobre la pieza que se está fabricando, ya que esto conlleva a la utilización de

diversos factores que intervienen dentro del proceso, y los cuales podemos

visualizar en el siguiente esquema..

Cada uno de los puntos que se menciona dentro del esquema anterior son de gran

importancia para poder llevar a cabo un producto final, en el caso de este proyecto

son de gran importancia para poder conocer los pasos que se tomaron en cuenta

para poder programar o planear la manufactura de la herramienta.

Procesos de manufactura

Mano de obra

Maquinas

Herramientas

Materia prima

Pieza o producto

final

64

IV.II Materia prima

La selección de la materia prima para las consideraciones de este proyecto se

basa en el análisis previamente realizado de los materiales que fueron tomados en

cuenta, los cuales fueron un acero 1020 y un acero 1018, para nuestro caso el

material que cumplió con las propiedades mecánicas adecuadas para poder ser

utilizado fue el acero 1018, ya que este cubrió los aspectos requeridos para poder

cumplir con la programación de la herramienta.

El acero 1018 es un acero con bajo contenido de carbono que es utilizado en la

fabricación de maquinaria y construcción mecánica de estructuras. Entre sus

propiedades más importantes se encuentran el fácil mecanizado y su buena

soldabilidad, ya que estos factores son de gran importancia para tomar en cuenta

dentro del programa del proceso de maquinado que llevara dicha herramienta.

IV.III Maquinas

La selección de la maquina o maquinas que se consideran dentro de este

programa son tanto la máquina de CNC de torno como de fresa que se encuentran

dentro de las instalaciones de la ESIME Unidad Profesional Ticomán.

IV.IV Fresa

El fresado es el procedimiento de manufactura mediante el cual una herramienta

(fresa o cortador) provista de múltiples filos cortantes dispuestos simétricamente

alrededor de un eje gira con un movimiento uniforme y arranca el material de la

pieza contra la cual se desplaza.

Algunas de las características con las cuales se encuentra provista la fresadora

CNC de la ESIME Unidad Profesional Ticomán son las siguientes:

Máximo diámetro de la herramienta: 80 máximo 160mm

Máxima longitud de la herramienta: 385mm

Máximo peso de la herramienta: 6.8kg

Máxima carga del anillo de la herramienta: 68kg

65

Bomba del refrigerante sin T.S.C: 5gal/min (25 lts)

Capacidad del tanque refrigerante : 39gal (178lts)

Capacidad de carga de la mesa: 500kg

Movimiento máximo en el eje X: 510mm

Movimiento máximo sobre el eje Y: 510mm

Movimiento máximo sobre el eje Z: 510mm

Opción de velocidad del husillo: 5000, 10000, 12500 rpm

IV.V Plato de Restricción

Es la primera pieza que se considera dentro de esta programación de las trayectorias de corte, en primer lugar debemos definir cuáles son las medidas consideradas para esta pieza de la herramienta, como ya fue definido en los planos de detalle, la pieza tiene las siguientes dimensiones.

Ahora podemos proceder a determinar cuáles son las medidas de nuestra placa de la cual podrá obtenerse como resultado esta pieza, en primer lugar al observar las medidas de esta pieza, podemos notar que el máximo diámetro para esta es de 109.48mm, esto es de gran importancia ya que debemos de considerar una placa de acero 1018 la cual tenga medidas superiores a esta diámetro además de que el espesor como podemos observar dentro del dibujo debe ser mayor o igual a 22mm. La placa que se consideraría para poder ser utilizada dentro de la mesa de trabajo es la siguiente.

66

Se puede observar que hay un sobre-espesor el cual es considerado para poder maquinar la pieza y realizar la sujeción de la misma en la mesa sin embargo, deberá tomarse en cuenta que si un sobre-espesor es muy grande, originara un mayor tiempo de mecanizado, un aumento del desperdicio del material y un costo de fabricación más alto.

Para poder realizar una correcta sujeción de las piezas en la mesa de trabajo de una fresadora se utilizan diversos dispositivos, esto debe de permitir que cuando se realice la carga y descarga en la pieza que se encuentra en la mesa de trabajo se cumplan con los siguientes requerimientos:

Inmovilizar correctamente la pieza

Acceso a las zonas a mecanizar

Capacidad para absorber los esfuerzos de mecanizado

Protección contra deformaciones de la pieza

Tiempos de amarre y desamarre cortos

Para la sujeción de esta pieza se podrá realizar de maneras muy diferentes, las cuales son:

Sujeción con mordazas o tornillos de maquina

Sujeción con platos divisores

Sujeción directa sobre la mesa

Sistema de sujeción modular

67

El sistema de sujeción por mordazas permite sujetar la pieza a presión, logrando de esta manera una correcta fijación, este sistema puede ser mecánico, neumático o hidráulico. La siguiente imagen muestra un ejemplo de dicho sistema.

La sujeción con platos divisores permite que la pieza de trabajo tenga la posibilidad de girar, además de permitir trabajar la pieza con diferentes orientaciones. La siguiente imagen muestra algunos ejemplos de los platos divisores.

El sistema de sujeción directa sobre la mesa es empleado regularmente para piezas muy grandes y este se puede realizar mediante el uso de bridas, tornillos, calzos, cuñas, etc.

Finalmente el sistema de sujeción modular está basado en una placa con agujeros o ranuras, el cual utiliza como elementos de sujeción bridas, posicionadores, etc., los cuales deberán estar estandarizados para dicha mesa. Este sistema es muy

68

flexible y puede ser adaptable a una gran multitud de piezas. La siguiente imagen muestra este sistema con sus respectivos elementos.

Para este caso proponemos utilizar la sujeción directa sobre la mesa por medio de mordazas las cuales puedan sujetar algunos lados de la placa que se desea mecanizar, ya que esto facilita que podamos realizar nuestro proceso. La siguiente imagen muestra cómo se puede realizar esto, ya que como se mencionó anteriormente la mesa de trabajo de la fresa tiene características que deben ser tomadas en cuenta para poder llevar a cabo la sujeción de la pieza.

Como se puede observar la pieza quedara ubicada entre dos carriles o líneas de nuestra mesa de trabajo, los cuales nos servirán para poder utilizar las mordazas que llevaran a cabo la sujeción, de esta manera podemos realizar el mecanizado sin tocar las piezas que sujetan a la placa de acero. La siguiente imagen muestra un ejemplo de cómo se puede llevar a cabo esta sujeción.

69

Se puede observar que además de la placa con la cual se va a trabajar es necesario tomar en cuenta un material que sirva para no dañar la mesa de trabajo de la fresa. La mordaza que puede ser tomada en cuenta para poder llevar a cabo la sujeción de nuestra pieza es la siguiente.

Esta podrá ser una mordaza que deberá ser tomada en consideración para poder realizar la fijación dada las características con las cuales cuenta la placa, el modo de colocación de esta puede ser observado en la siguiente imagen.

70

De esta manera podemos obtener una sujeción que nos permita mecanizar nuestra pieza de trabajo. La referencia para esta pieza podrá ser tomada por una de las esquinas de la misma y de ahí generar el código que nos permita obtener las geometrías deseadas, esta referencia puede ser tomada con el uso de un palpador para así poder lograr lo deseado, de esta manera la piezas quedaría sujeta de la siguiente manera.

En la imagen se pueden observar las mordazas colocadas en sus posiciones correspondientes, el único detalle es que no se observan las demás piezas del conjunto que integra a la sujeción sin embargo esta pueden ser observadas en las imágenes anteriores.

Lo más importante ahora es definir qué lado se comenzara a maquinar, ya que como podemos observar en los planos de detalle este proceso deberá de llevar dos partes dada la geometría de este, se podría comenzar por el lado de abajo ya que es el que contiene mayores dificultades de mecanizado por lo tanto la pieza comenzaría a ser mecanizada de abajo hacia arriba para poder facilitar el proceso.

Como ya se sabe las velocidades de corte que deben ser utilizadas están ligadas con el tipo de material que se va a utilizar para la fabricación de la pieza o piezas, además de las características del cortador que se va a utilizar, es por eso que basado en tablas de recomendaciones para el fresado podemos determinar los siguientes parámetros.

Dado que el material de la pieza se trata de un material de bajo carbono y de libre maquinado, se puede utilizar una herramienta de corte la cual sea de carburo no recubierto, carburo recubierto o cermets. Con estas características y por medio del uso de tablas para velocidades13 y avances14 podemos determinar que:

13

Anexo 3 “Velocidades de corte en una superficie”

71

Velocidad de corte (m/min): 20-80

Avance (mm/rev): 0.2-0.5

Dado que estos rangos tanto de velocidades como de avances son considerados dependiendo de la operación que se desea realizar, podemos considerar cuáles serán las tareas que se llevaran a cabo para poder conformar la pieza deseada, por lo tanto estas podrían ser las siguientes:

1. Torno-fresado

2. Acabado

3. Torno-fresado

4. Planeado

5. Fresado en escuadra

6. Torno-fresado

El primer torno fresado que se llevara a cabo corresponde al diámetro de 85.50mm que se puede observar en los planos de detalle de dicha pieza, esta operación se considera ya que puede realizar agujeros de precisión, así como también la operación de torneado exterior. Las velocidades y avances que se pueden considerar para dicha operación podrían ser las siguientes:

Velocidad de corte (m/min): 20

Avance (mm/rev): 0.2

Estas son consideradas ya que la prioridad para poder realizar dicha operación es quitar el mayor volumen de metal tan eficientemente como sea posible, por lo tanto las velocidades y avances deberán ser bajos, sin embargo la profundidad de corte deberá ser alta en este caso y dado que la maquina utilizada será una Fresadora, la profundidad de corte considerada para dicha operación sería de 2mm. La herramienta de corte considerada para poder realizar dicha operación es una fresa con vástago de punta plana la cual tendrá un diámetro de 5mm y 3 dientes. La siguiente imagen muestra una herramienta de características similares.

14

Anexo 4 “Velocidad de avance para fresadora”

72

Conociendo estos datos podemos determinar el número de rpm que se necesita para poder realizar dicha operación, por lo tanto esta velocidad es de:

Dado que estas revoluciones pueden ser modificadas siempre y cuando no rebasen el límite de la maquina o para nuestro caso las velocidades requeridas para el tipo de material con el cual se está trabajando podemos considerar un número mayor de revoluciones, el cual será de:

1500 rpm

Por lo tanto la velocidad de corte de la herramienta será de:

Por lo tanto el avance que se consideraría para dicha operación tomando en cuenta el número de dientes con el cual cuenta la herramienta será de:

Después de esto se considera realizar una operación de acabado para esta misma sección del diámetro, con la cual se busca obtener los valores establecidos en los planos de detalle, por lo tanto para este caso las velocidades de corte y avance deberán ser altos mientras que su profundidad deberá ser considerada de 1mm. Habiendo establecido esto las velocidades de corte y de avance deberán ser las siguientes:

73



Por lo tanto el número de rpm para esta operación será de:

Establecido esto podemos considerar un número mayor de revoluciones el cual sería de:

5000 rpm


La herramienta que se utilizara para el acabado deberá ser una fresa con vástago de punta esférica, la cual contara con un número de dientes de 3, la siguiente imagen muestra el tipo de herramienta con la cual se pretende realizar esta operación.

Por lo tanto el avance que se considera para dicha operación será de:

74

La siguiente operación de torno fresado es considerada para realizar el maquinado de torneado exterior del diámetro de 96.52mm, el cual se puede observar en los planos de detalle de dicha pieza, dado que esta operación busca arrancar la mayor cantidad de material la velocidad y avance deberán ser pequeños mientras que la profundidad será de 2mm. Se utilizara una fresadora con vástago de punta plana, la cual contara con un diámetro de 5mm y usara un número de dientes de 3, con estos datos y conociendo el material con el cual se trabajara podemos determinar las revoluciones con las cuales se realizara esta operación, las cuales son:



Por lo tanto el número de revoluciones que son necesarias para dicha operación serán de:

Conociendo las velocidades con las cuales se pueden trabajar con este material, podemos utilizar un numero de revoluciones el cual se encuentre dentro del rango que se puede observar en tablas, por lo tanto podemos determinar un número de revoluciones el cual será de:

1500 rpm


Por lo tanto el avance para dicha operación de maquinado será de:

Después de realizado esto es necesario observar en los planos de detalle que la pieza requiere de dos características geométricas las cuales son:

75

Planicidad

Perpendicularidad

Es por eso que se considera el proceso de planeado y de fresado en escuadra, los cuales buscan dotar a la pieza de estas características, por lo tanto la herramienta de corte que se considera para dicha operación será una fresa con vástago de punta plana la cual tendrá un diámetro de 3mm y contara con 3 dientes.

De esta manera y tomando en cuenta que se trata de una operación de acabado para poder obtener las características deseadas, se considera que la velocidad de corte y avance serán altas mientras que la profundidad de corte será de 1m, por lo tanto se considera el siguiente número de revoluciones el cual es de:

7500 rpm

Conociendo esto, la velocidad requerida será de:

Ahora bien tomando en cuenta la relación de avance del cortador la cual será de:


Podemos determinar el avance que requiere esta operación, la cual será de:

De esta manera se podrá observar el mecanizado de la pieza de la siguiente manera:

76

Finalmente para poder completar la pieza con sus características completas es necesario realizar el chaflán de lado superior de la pieza como se puede observar en el plano a detalle de esta, esta pieza se sujetara por medio de un plato de garra para piezas cilíndricas, de esta manera se podrá realizar el chaflán restante. La siguiente imagen muestra cómo podrá estar sujetar dicha pieza con los mecanizados que se realizaron posteriormente.

La imagen muestra como los orificios pasan por las líneas donde se realizara la sujeción de la pieza, además podemos observar una imagen de un posible plato con sus respectivas garras para poder sujetar la misma, no obstante aunque se trata de una imagen muy poco detallada nos ayuda a entender e interpretar el modo de colocación de nuestra pieza para así poder obtenerla de una manera fácil y sin perder la maquinabilidad que esta tendrá. Finalmente la referencia que se tomara para esta pieza deberá ser el centro de nuestro diámetro y esto lo podremos conseguir por medio de un palpador el cual nos permita determinar el cero pieza en este punto y de ahí poder realizar el maquinado de nuestro chaflán por medio de su código correspondiente.

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Dado que se trata de una operación de acabado se consideran las siguientes especificaciones:

7500 rpm


Por lo tanto y considerando una herramienta de corte con vástago de punta plana con un diámetro de 3mm y 3dientes, la velocidad que se requerirá será de:

Por lo tanto el avance para dicha operación será de:

Finalmente se podrá obtener la pieza deseada como se muestra en la siguiente imagen.

Para el acoplamiento soldado es necesario colocar el material en el plato de sujeción o cabezal del torno de esta manera se obtiene la sujeción de la pieza, en este caso se deberá hacer la selección de un material que cumpla con un diámetro mayor al que se puede observar en la siguiente ilustración.

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En este caso el diámetro que se seleccionará será de 35 mm el cual es mayor al diámetro del acoplamiento, además la pieza deberá tener una longitud mayor de 25mm ya que se requerirá realizar una operación de tronzado para poder obtener la pieza del tamaño especificado, por lo tanto esta longitud deberá de ser de 50mm ya que como regla general podríamos utilizar que la longitud de salida de nuestra pieza deberá ser de 2 a 3 veces mayor al diámetro mayor de nuestro material.

Para realizar el mecanizado de esta pieza se deberá realizar un desbaste eliminando la mayor cantidad de material o el excedente que esta tenga, por lo tanto el espesor de este será de 1.5mm dado que se contara con un excedente de 2.5mm, el sobre espesor de 1mm que resta es para poder realizar la pasada de acabado que es necesaria.

La herramienta que se utilizara es de alta velocidad dado el material con el cual se está trabajando el cual es un acero 1018, las operaciones a realizar son las siguientes:

1. Cilindrado externo

2. Ranurado

3. Tronzado

Dado que se trata de una operación con torno, la velocidad del material y relación de avance que tendrá la herramienta serán considerados con el uso de tabla de velocidades15 y tabla de relación de avance para torno16, los cuales son:

15

Anexo 5 “Tablas para rosca métrica” 16

Anexo 6 “Velocidades de avance para torno”

79

Velocidad de corte (m/min): 20-80

Avance (mm/rev): 0.15-0.4

El cilindrado se realizara con una herramienta de alta velocidad para poder realizar esta operación, considerando que esta operación deberá ser de acabado la velocidad y el avance para esta será de:



Por lo tanto las rpm necesarias para la operación de cilindrado serán de:

Por lo tanto la velocidad de avance para dicha operación será de:

Al término de esta operación se realizara un ranurado con una profundidad de 13mm como se puede ver en los planos a detalle de esta, además de contar con una terminación en forma de v. las características de este ranurado dependen de la cuerda que este debe de albergar la cual debe tener las siguientes características:

Diámetro nominal (mm):16

Paso (mm):2

Estos datos pueden ser observados en la tabla para rosca métrica iso17, la herramienta a utilizar deberá ser de alta velocidad además de ser para ranurado de interiores ya que lo que se busca es realizar la ranura de dicha pieza, las velocidades y avances que se consideran para dicha operación serán de acabado y son:



17

Anexo 5 “Tablas para rosca métrica”

80

Por lo tanto el número de rpm ´para dicha operación será de:

Por lo tanto la velocidad de avance para esta operación será de:

Finalmente para poder obtener la pieza deseada se terminara esta pieza con una operación de tronzado, la cual se realizara con una herramienta de tronzado de alta velocidad, para esto es necesario considerar que la finalidad de dicha operación es eliminar el mayor volumen posible tomando en cuenta una velocidad de corte y avance bajos, por lo tanto estos serán de:



Por lo tanto el número de rpm requerido para esta operación será de:

Por lo tanto la velocidad de avance para dicha operación será de:

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IV.VI Aro bloqueador

Esta pieza es la siguiente dentro de nuestro proceso de manufactura, en la cual debemos de tomar en cuenta las medidas proporcionadas por el diseño18, en este caso la siguiente ilustración muestra las medidas para esta pieza.

Como se puede observar en la ilustración el máximo diámetro para esta pieza es de 178mm por lo tanto la placa de la cual deberá ser extraída esta pieza será una placa con las siguientes especificaciones.

La placa tendrá medidas de 200X200 mm como se puede observar en la imagen, además el espesor de la misma será de 5mm, la sujeción para esta se realizaría en los lados de dicha placa por medio de mordazas para poder realizar el procesos de desbaste y acabado de dicha pieza, en la siguiente imagen se muestra como se colocara la pieza en la mesa de trabajo de la fresadora.

18

Anexo 1 “Plano de Detalle”

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Como se puede observar las líneas blancas muestran los canales de trabajo de nuestra fresa, las cuales tienen especificaciones para poder utilizar el material de sujeción que se requiera, como se puede observar nuestra placa pasa por dos de estas líneas las cuales podemos ocupar para realizar la sujeción por medio de las mordazas como fue mencionado anteriormente, la siguiente imagen muestra la mordaza con la cual podremos trabajar esta sección.

La colocación para esta mordaza es muy similar al anterior siempre tomando en cuenta todas las dimensiones de trabajo de nuestra pieza, también es necesario remarcar que para evitar algún percance con la mesa de trabajo es necesario utilizar un material que se encuentre entre la placa de acero y la mesa de trabajo, la siguiente imagen muestra cómo se utilizaran las mordazas para poder fijar la placa de trabajo.

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Con estas bridas se puede realizar la sujeción de nuestra placa y así poder lograr las geometrías para la obtención de la pieza. La siguiente imagen representa la placa con sus respectivas sujeciones.

Se pueden observar los puntos donde se llevara a cabo la sujeción de la placa, aunque

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