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I
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN
INGENIERIA AERONAUTICA
SEMINARIO DE TITULACIÓN: “MODELADO, DISEÑO, ANALISIS, MANUFACTURA Y CONTROL DE
ELEMENTOS MECANICOS”.
“MODELADO, DISEÑO, ANALISIS, MANUFACTURA Y CONTROL DE ELEMENTOS MECANICOS DE UNA PRENSA PARA MATERIALES DE BAJA
DUREZA”.
REPORTE FINAL DE INVESTIGACIÓN
PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN AERONAUTICA
P R E S E N T A N:
García López Omar Pérez Jaimes Mario
MEXICO D.F. SEPTIEMBRE DE 2006
II
III
AGRADECIMIENTO
AGRADEZCO A TODA MI FAMILIA, AMIGOS Y PROFESORES, EL APOYO Y
PACIENCIA QUE ME BRINDARON DURANTE TODO EL TRANSCURSO DE LA
CARRERA: A MIS HERMANOS, HERMANAS, ESPOSA E HIJOS. PERO DOY
UN AGRADECIMIENTO MUY ESPECIAL A MI MADRE QUE A PESAR DE
HABERSE IDO AL LUGAR, A DONDE ALGUNA VEZ TODOS IREMOS, EL
HABERME DADO ESE ALIENTO DE ESPERANZA, QUE ME MOTIVO A SEGUIR
ADELANTE, QUE LA COSECHA QUE DEJO HA DADO FRUTOS Y QUE SERÀ
UTILIZADO PARA BIEN.
I
INDICE I
INTRODUCCIÓN V GENERALIDADES DE LA PRENSA VIII
1. Base de Fijación IX 2. Mordaza Móvil X
3. Placa de Apoyo X 4. Terminología de Roscas XI
4.1. Nomenclatura XI 4.2. Entradas o Filetes XIII
4.3. Sentido de la Rosca XIV 4.4. Tornillo de Cabeza Ranurada 6-32UNC-2B, 3/8 XIV
5. Husillo XIV 6. Soporte del Husillo XV
7. Manivela XV 8. Deslizaderas XVI 9. Usos de la Prensa XVI 10. Limitaciones de la Prensa XVII
GLOSARIO XVIII MARCO TEORICO XXII
RESUMEN DE LOS MODULOS DEL PROGRAMA DEL SEMINARIO XXIV MATLAB XXIV
1. Programa MATLAB XXIV MECHANICAL DESKTOP 6 POWER PACK XXIX
Dimensiones XXIX Sistemas Compatibles XXXI
ANSYS VERSIÓN 10 XXXIV
1. Ansys V10.0 Environment XXXV 2. Característica de Ansys Multiphysics XXXVII
MANUFACTURA XXXVIII 1. Mecanizado con Maquina Herramienta XXXIX
2. El Torno XL
II
3. Torno Mecánico XLI
4. Movimientos de Trabajo en la Operación de Torneado XLI 5. Estructura del Torno XLII 6. Clasificación de los Tornos XLIII 7. Tornos Según su Capacidad de Trabajo XLIII
8. Tornos de Semi-producción XLIV 9. Tornos de Producción XLIV 10. La Fresa XLV
10.1. Forma Básica
10.2. Instrucciones a la Máquina y Códigos de Programación 10.3. Partes
CONTROL NUMÉRICO POR COMPUTADORA (CNC) XLVII Descripción General de las Normas ISO 9000 XLVIII
CAPITULO I. MODELADO Y DISEÑO CON MECHANICAL DESKTOP 1 1.1. Modelado y Diseño de la Mordaza Deslizante 2 1.2. Modelado y Diseño de la Placa de Mordaza 7 1.3. Modelado y Diseño del Husillo 9
CAPITULO II. ANALISIS ESTRUCTURAL Y SIMULACION 17 2. Análisis Numérico 18 2.1.1. Tensión-Compresión 18 2.1.2. Deformación Unitaria Normal 18
2.1.3. Torsión 19 2.1.4. Fórmula de la Torsión 21 2.1.5. Ángulo de Torsión por Unidad de Longitud 22 2.1.6. Columnas 24 2.1.7. Análisis del Husillo o Tornillo 32
2.1.8. Análisis de La Mordaza Deslizante y la Placa de la Mordaza 36 2.1.9. Análisis de los Tornillos que Soportan la Placa de la Mordaza 38
2.2. Simulación en Ansys 42 2.3. Análisis Experimental 49
2.3.1. Preparación de Superficies 54
III
2.3.2. Material 55
CAPITULO III.- MANUFACTURA DE LOS ELEMENTOS 61 3.1. Teoría de Control Numérico 62 3.1.1. Maquinas de Control Numérico por Computadora (CNC) 62 3.1.2. Funciones de las Computadoras 62
3.1.3. Rendimiento 63 3.1.4. Precisión 63 3.1.5. Confiabilidad 63 3.1.6. Capacidad de Repetición 63
3.1.7. Productividad 64 3.1.8. Mayor Seguridad del Operador 64
3.2. Maquinado con CNC 65 3.3. Maquinado del Husillo con el Torno 68
3.3.1. Seguridad en el Torno 68 3.3.2. Descripción del Proceso 68 3.4. Maquinado en CNC de la Mordaza Deslizante 74 3.5. Maquinado de la Placa de la Mordaza 77
3.5.1. Deslizante con la Fresadora 77 3.5.2. Seguridad en la Fresadora 78
CAPITULO IV.-CONTROL DE CALIDAD 79
4.1. Análisis del Proceso Actual en Base a Técnicas
de la Ingeniería de Procesos 80 4.2. El Proceso del Diseño en Ingeniería 83 4.3. Identificación del Problema 84 4.4. Planteamiento de Ideas Preliminares 84 4.5. Diseño Preliminar 84
4.6. Generación de Ideas para Gráficas y Visualización 85 4.7. Refinamiento del Diseño 85 4.8. Modelado 86 4.9. Modelado Geométrico 87
4.10. Modelado Basado en Restricciones 88
IV
4.11. Simulación y Animación por Computadora 88
4.12. Planos, Gráficas y Diagramas 89 4.13. Análisis de Diseño 89 4.14. Análisis de Mercado y Financiero 90 4.15. Visualización del Diseño 90
4.16. Implantación 91 4.17. Planificación 92 4.18. Producción 92 4.19. Mercadotecnia 93
4.20. Finanzas 93 4.21. Administración 94 4.22. Servicio 95 4.23. Documentación 95
4.23.1. Dibujos de Diseño y Modelos 97 4.23.2. Dibujos y Procesos de Producción 97 4.23.3. Ilustraciones Técnicas 98 4.23.4. Animaciones 98
4.23.5. Informes Técnicos 99 4.23.6. Gráficas de Presentación 99 4.23.7. Dibujos de Patente 100
Capitulo V.-Propiedades Del Material 102
5.1. Aleaciones y Clasificación de las Aleaciones del Aluminio 104 5.2. Propiedades Mecánicas 106 5.3. Influencia de los Tratamientos Térmicos y Mecánicos 110
TABLA DE PROPIEDADES MECÁNICAS 114 TABLA DE EQUIVALENCIA DE LAS NORMAS ISO 9000 Y
LAS NORMAS MEXICANAS NMX-CC XLIX CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 116 BIBLIOGRAFÍA 119
V
INTRODUCCIÓN
VI
En la industria como en el hogar se tiene la necesidad de contar con una
prensa para trabajar ciertos elementos mecánicos de uso común, por lo que este
trabajo consta del Modelado, Diseño, Análisis, Control y Manufactura de una de
una Prensa para materiales de baja dureza, como es la madera, el aluminio y todo
tipo de plásticos, la herramienta se fabrico con material de aluminio 6061 T6. y se
realizo conforme al programa del Seminario de Modelado, Diseño Control y
Manufactura de Elementos Mecánicos. El reporte comienza con el Marco Teórico
que define el uso, limitaciones, ventajas y desventajas de este tipo de
herramientas, tanto en la industria metalmecánica como para el uso domestico.
Además se indican las características de las maquinas autónomas o automáticas
que se utilizaron para la manufactura de los elementos de la prensa. Por otro lado
y siguiendo con cada uno de los procesos de fabricación, se explicara brevemente
el funcionamiento de cada una de las herramientas informáticas que favorecieron
al proceso de fabricación, como Mechanical Desktop v6 que se utilizo para el
Modelado y Diseño, el cual se vera en el Capitulo I. Otra herramienta que se
describe en el Capitulo II es Ansys v10 y Ansys Workbench v10 que ayudo al
proceso de Análisis Estructural de esfuerzos simulado, esta herramienta
permitió determinar su carga critica, de cadencia y de deformación y ya llevándolo
a la practica se realizaron las pruebas de laboratorio, en donde se instrumentaron
las piezas y se probó la carga máxima y sus deformaciones, mediante el método
de extensometría eléctrica.
Por ultimo se vera brevemente la herramienta Master Cam Versión 9 con el
cual se generaron los comandos para exportarlos a la máquina de Control
Numérico Computarizado (CNC), esta herramienta informática fue importante para
realizar una parte del Maquinado de algunas piezas tales como la base, las
mordazas y la manivela de la prensa.
Otras partes como el husillo, las placas de las mordazas fueron maquinadas
con el torno y la fresa respectivamente. Para lograrlo es necesario el manejo de
dichas maquinas y herramientas como lo establece el fabricante, así como las
medidas de seguridad que se deben tener en cuenta para un adecuado manejo de
dichas maquinas y herramientas, ya que de lo contrario podría producir daños y
VII
lesiones al operador, por lo que en un capitulo posterior se darán algunas medidas
de seguridad para prevenir algún daño.
Para finalizar se tienen las conclusiones del desarrollo de todo el trabajo, se
compararan los resultados del laboratorio con los resultados obtenidos en el
análisis numérico y se determinaran recomendaciones o modificaciones que se
deban hacer para la mejora del producto.
Como se sabe todo proceso debe estar establecido bajo un sistema de control
de calidad para obtener un producto con los máximos estándares de calidad. Ya
que se trata de conseguir una mayor producción en poco tiempo, sin defectos y de
bajo costo. Además se intenta al mismo tiempo que el consumidor pueda
identificarse con el producto.
En el capitulo IV se mostrara el proceso de elaboración de acuerdo al sistema
de control de la calidad basado en las normas ISO 9001.
Es importante mencionar que como parte del seminario se aprendió a usar la
herramienta MatLab v6.1, sin embargo como no fue considerado para el desarrollo
del trabajo, debido a las características del elemento, y ya que se partió de un
diseño ya establecido en el programa mismo del Seminario, en este trabajo solo
se hace una breve reseña de los elementos que lo conforman para poder hacer el
modelado de alguna parte mecánica especifica.
VIII
GENERALIDADES DE LA PRENSA.
IX
1. BASE DE FIJACIÓN.
Esta la parte de la prensa que soporta la mayoría de las piezas que la
conforman.
Normalmente el material mas utilizado para la fabricación de las prensas es el
acero u otros materiales, para este caso se utilizo el aluminio 6061 T6.
Tiene varias funciones tales como:
• Mantiene la mordaza sujeta.
• Mantiene sujeto el soporte del husillo.
• Permite que la deslizadera pueda desplazarse.
• Y junto a la mordaza móvil sirve de sujeción de la pieza.
X
2. MORDAZA MÓVIL.
La mordaza móvil es la parte del conjunto que permite sujetar la pieza sobre la
que se va a trabajar, da la posibilidad de sujetar piezas de diferentes tamaños
gracias a su movilidad.
Las mordazas son los lugares donde se colocaran las placas de apoyo ya que
son estas las encargadas de proteger a la pieza de la presión que se va ejercer;
van unidas mediante tornillos de cabeza ranurada 6-32UNC-2B, 3/8 de acuerdo a
la norma ISO definida como de paso americano normal (Unified National Coarse).
En su interior lleva un tornillo ¼-20UNC-2A de acuerdo a la norma ISO definida
como de paso americano normal (Unified National Coarse) que es la que hace la
unión entre ella y el husillo, este elemento es el que provoca el movimiento gracias
a una manivela colocada en su extremo.
En su parte inferior van unidos 2 tornillos iguales que se unen a la placa de
apoyo a una deslizadera la cual le permite desplazarse siempre en la misma
dirección ya sea hacia delante o hacia atrás.
3. PLACA DE APOYO.
En la mordaza encontramos dos placas de apoyo rectangulares, con dos
agujeros roscados cada una, por donde serán fijadas, cada una al sitio
correspondiente. Cumplen con la función de proteger al material que va a ser
sujeto por la mordaza para desarrollar un trabajo sobre él. Manteniéndolo sin
ralladuras o demás defectos que puedan deteriorarlo.
Estas placas pueden estar fabricadas por diversos materiales, como podrían
ser:
• Acero.
XI
• Plástico.
• Madera
• Corcho.
Una de las placas esta atornillada a la base de fijación, mientras que la otra se
sitúa, también atornillada a la mordaza móvil, ambas con tornillos 6-32UNC-2B,
3/8 del tipo de rosca UNC (Rosca Americana Unificada de Paso Normal).
4. TERMINOLOGIA DE ROSCAS.
En 1841, el ingeniero inglés Joseph Withworth definió la rosca que lleva su
nombre. William Sellers hizo otro tanto en los Estados Unidos el año 1864. Esta
situación se prolongó hasta que la organización ISO define, a mediados de siglo
XX,
el sistema de rosca métrica adoptado actualmente en prácticamente todos los
países. En los EE.UU. se sigue empleando la norma de la Sociedad de Ingenieros
de Automoción (Society of Automotive Engineers, SAE). Actualmente, estas
roscas se definen como Unified National, en sus tres variantes:
• UNC = Unified National Coarse = paso americano normal.
• UNF = Unified National Fine = paso americano fino.
• UNEF = Unified National Extra Fine = paso americano extrafino.
En todas ellas se mantienen los diámetros exteriores y varía el número de hilos
de rosca por pulgada.
4.1. NOMENCLATURA.
Las roscas pueden ser exteriores o machos (tornillos) o bien interiores o
hembras (tuercas). Las magnitudes deben ser coherentes para que ambos
elementos puedan enroscarse.
XII
DESIGNACION DE LAS ROSCAS
La designación o nomenclatura de la rosca es la identificación de los
principales elementos que intervienen en la fabricación de una rosca determinada,
se hace por medio de su letra representativa e indicando la dimensión del
diámetro exterior y el paso. Este último se indica directamente en milímetros para
la rosca métrica, mientras que en la rosca unificada y Withworth se indica a través
de la cantidad de hilos existentes dentro de una pulgada por ejemplo,
La rosca M 3,5 x 0,6 indica una rosca métrica normal de 3,5 mm de diámetro
exterior con un paso de 0,6mm.
La rosca “W 3/4’’-10 equivale a una rosca Withworth normal de 3/4pulg. de
diámetro exterior y 10 hilos por pulgada.
La designación de la rosca unificada se hace de manera diferente: por ejemplo
una nomenclatura normal en un plano de taller podría ser:
1/4 – 28 UNC – 3B – LH
Y al examinar cada elemento se tiene que:
• 1/4 de pulgada es el diámetro mayor nominal de la rosca.
• 28 es el número de rosca por pulgada.
Rosca Exterior o Macho
Rosca Interior o Hembra
1 Fondo o Base Cresta o Vértice 2 Cresta o Vértice Fondo o Base 3 Flanco Flanco 4 Diámetro del núcleo Diámetro del taladro 5 Diámetro exterior Diámetro interior 6 Profundidad de la rosca 7 Paso
XIII
• UNC es la serie de roscas, en este caso unificada normal.
• 3B: el 3 indica el ajuste (relación entre una rosca interna y una externa
cuando se arman); B indica una tuerca interna. Una A indica una tuerca
externa.
• LH indica que la rosca es izquierda. (Cuando no aparece indicación alguna
se supone que la rosca es derecha)
4.2. ENTRADAS O FILETES.
La generación de un tornillo puede suponerse arrollando un filete alrededor de
un cilindro. En la primera figura mostrada antes, el filete o hilo es trapezoidal,
mientras que en la segunda es triangular. En cualquier caso, si la hélice que
describe el filete tiene un paso suficientemente grande (a), dejará espacio para
arrollar sobre el cilindro otro filete, con lo que se obtiene una rosca de doble
entrada (b), o triple si los filetes añadidos son dos. Para determinar el número de
entradas de un tornillo, basta apoyar un rotulador en el flanco y girarlo hasta
marcar una vuelta completa, de forma que el filete correspondiente quede
coloreado; si en medio queda otro sin colorear, será de dos entradas, si quedan
dos, de tres entradas y así sucesivamente.
El incremento del número de entradas no modifica el paso del tornillo, pero con
ello se consigue que la superficie de contacto entre el tornillo y la tuerca se
incremente de modo que se podrá aplicar una mayor fuerza (par) de apriete y se
XIV
obtendrá una unión más estanca. Nótese que no es estrictamente necesario que
exista un espacio entre dos filetes consecutivos igual o mayor que la base de los
mismos para que se pueda intercalar una segunda entrada; en este caso el
resultado será simplemente una disminución de la profundidad de la rosca.
4.3. SENTIDO DE LA ROSCA.
En función del movimiento relativo entre el
tornillo y la tuerca, existen tornillos (y roscas) a derechas que son aquellos que al girarlos en
el sentido contrario al de las agujas del reloj
salen de la tuerca y desenroscan (a), y a
izquierdas, que son aquellos en los que al
girar el tornillo en el sentido contrario al de las
agujas del reloj, entra en la tuerca
enroscándose (c). Las roscas empleadas son
comúnmente a derechas.
4.4. TORNILLO DE CABEZA RANURADA 6-32UNC-2B, 3/8.
Esta tipo de rosca se aplicará a esta prensa, debido a sus propiedades
mecánicas, comúnmente las prensas comerciales emplean tornillos DIN 63 y para
las de nueva construcción se emplean tornillos de rosca según DIN 963.
5. HUSILLO.
Es un elemento roscado, en cuya cabeza se encuentra una manivela, la cual le
transmite movimiento al ser girada. Este movimiento de giro es transformado en
un movimiento lineal por el husillo gracias a su vástago o caña (que es de forma
cilíndrica, estando roscado por el exterior en la mayoría de su longitud) y la
colaboración de un soporte que es lo que lo hace avanzar y retroceder (debido a
que este elemento también esta roscado) y el movimiento de giro dado por el
XV
operario en principio se convierte en un movimiento rectilíneo gracias a la
combinación de los 2 elementos roscados.
En la mordaza el husillo es utilizado como elemento de apriete y afloje de los
elementos que se van a sujetar con dicha mordaza. Como se puede comprobar el
husillo es el principal elemento de la mordaza dado que sin el no habría sujeción
de la pieza.
6. SOPORTE DEL HUSILLO.
Como apoyos de los husillos de las maquinas y herramientas, para el caso de
la prensa es la mordaza, se emplea el soporte que tiene un agujero para un tornillo
de fijación ¼-20UNC-2B y dispone de una cara de apoyo en el lateral, para facilitar
la alineación del soporte con la construcción anexa.
7. MANIVELA.
La manivela es el dispositivo mediante el cual a una pieza se le puede aplicar a
un eje el movimiento rotatorio y el momento de torsión.
Esta manivela esta formada por una barra de mango SAE 1112A A. L. F. en
ambos extremos cuenta con 2 tuercas esféricas en forma de bolas de mango SAE
1112A A. L. F., esta barra se encuentra situada atravesando la cabecera del
husillo, sobre el cual va a incidir mediante un movimiento manual de rotación
provocando un ajuste de la mordaza móvil a la pieza a fijar en cuestión.
XVI
8. DESLIZADERAS.
Esta sirve para asegurar el movimiento rectilíneo de la herramienta o bien de la
pieza que se trabaja y los conjuntos de la maquina-herramienta relacionados con
ella. En la mordaza es parte de la misma.
9. USOS DE LA PRENSA.
Como un caso particular, la prensa que se diseño, cuenta con características
particulares, esta muy limitada a ciertos usos, como en el caso de:
• Usos domésticos.
• Para fabricar o arreglar muebles de madera o aluminio.
• Uso en un taller pequeño.
• Para el manejo de piezas pequeñas hechas de aluminio como
llaveros, de madera como marcos para retratos, de plástico como ciertos
juguetes que requieren algún grabado o compostura.
• Usos en una escuela.
• Para trabajos en los laboratorios, entre otros.
XVII
10. LIMITACIONES DE LA PRENSA
Esta prensa no puede ser utilizada para trabajar elementos fabricados de
acero, hierro, u otro elemento de material pesado, ya que la misma sufriría
deformaciones permanentes al momento del apriete.
El tipo de piezas a usarse en esta prensa deben ser de un material de baja
dureza, como puede ser el aluminio, el cobre, el vidrio, la madera o el plástico, ya
que tienen una limitación para trabajarse. Y pueden sufrir deformaciones
permanentes si se excede su límite de carga al momento de sujetarlas. Pues en
caso contrario el diseño de la prensa no funcionaría como se pensó.
Una de las características que tiene es el tamaño, ya que las dimensiones
reales son pequeñas y esta limitada a la sujeción de piezas que estén dentro de
los límites de las mordazas para un funcionamiento adecuado. Nuestra prensa
será básicamente para uso en un taller pequeño o de uso domestico.
XVIII
GLOSARIO
XIX
Acabado. Operaciones finales realizadas para obtener la tolerancia y/o el
acabado de superficie deseada. Automatización fija. Un proceso en el que se usa maquinaria mecánica para
realizar operaciones fijas y repetitivas para producir una gran cantidad de piezas
similares.
Cajeado o Rasurado. Permite la obtención de cajas o ranuras de revolución.
Calidad. Es el conjunto de propiedades y características de un producto o
servicio, que le confieren la aptitud para satisfacer necesidades expresas. Las
necesidades pueden incluir aspectos relacionados con la aptitud para el uso,
seguridad, disponibilidad, confiabilidad, mantenimiento, aspectos económicos y de
medio ambiente. Este término no se emplea para expresar un grado de excelencia
en un sentido comparativo, ni se usa con un sentido cuantitativo para
evaluaciones.
Control de Calidad. Son las técnicas y actividades de carácter operacional
utilizadas para satisfacer los requisitos relativos a la calidad. Se orienta a
mantener bajo control los procesos y eliminar las causas que generan
comportamientos insatisfactorios en etapas importantes del ciclo de calidad para
conseguir mejores resultados económicos.
Cilindrado. Permite la obtención de una geometría cilíndrica de revolución,
puede aplicarse tanto a exteriores como a interiores.
Control numérico computarizado. Un tipo de automatización programable,
dirigido por información matemática que usa microcomputadoras para llevar a
cabo varias operaciones de maquinado.
Fresa. Una máquina herramienta que se usa para quitar el metal horizontal o
verticalmente de la superficie de una pieza.
Fresa frontal. Fresa plana con múltiples dientes cortantes alrededor de la
herramienta. El fondo de la fresa frontal se usa durante las operaciones de
fresado.
Fresa universal de espiga. Una fresa fina y alta con bordes cortantes que
desbastan los lados. Tanto el fondo como el lado de la fresa universal de espiga
XX
se utilizan durante las operaciones de fresado. Las fresas universales de espiga
se asemejan a los taladros.
Metrología Industrial. Es la calibración, control y mantenimiento adecuado de
todos los equipos de medición, sean éstos de producción, de inspección o de
ensayo. Esto permite una congruencia para demostrar la conformidad de los
productos con las especificaciones. Los equipos deben ser utilizados de tal
manera que aseguren que la incertidumbre de la medición se conoce y deben ser
22 controlados con una frecuencia establecida. La calibración debe hacerse contra
equipos certificados que tengan una relación válida conocida, tal como serían los
patrones nacionales.
Moleteado. Permite el marcado de la superficie cilíndrica de la pieza a fin de
facilitar la rotación manual de la misma.
Prensas punzonadoras. Una máquina que usa fuerza para cortar o formar
una pieza.
Producto. Es el resultado de una acción, gestión o proceso.
Programa de pieza. Una serie de instrucciones numéricas usadas por una
máquina de CNC para realizar la secuencia necesaria de operaciones para
maquinar una pieza específica.
Prototipo. El modelo experimental original de un producto.
Punzonado. Uso de fuerza para cortar o formar una pieza.
Reingeniería. es la revisión fundamental y el rediseño radical de procesos
para alcanzar mejoras espectaculares en medidas críticas y contemporáneas de
rendimiento, tales como costos, calidad, servicio y rapidez.
Refrentado. Permite la obtención de superficies planas perpendiculares al eje
de rotación de la maquina.
Roscado. Permite la obtención de roscas, tornillos en el caso de roscado
exterior y tuercas en el caso de roscado interior.
Sistema de Calidad. Se refiere a la estructura organizacional,
responsabilidades, procedimientos, procesos y recursos para aplicar la gestión de
la calidad. Debe responder a las necesidades de la organización para satisfacer
los objetivos de calidad.
XXI
Taladro. Una máquina herramienta que se usa para penetrar la superficie de
una pieza y hacer un agujero redondo.
Taladrado. Permite la obtención de taladros coaxiales con el eje rotación de la
pieza.
Tiempo de inactividad. Bloques de tiempo improductivo, durante el cual las
operaciones dejan de funcionar, como resultado de problemas mecánicos.
Tronzado. Permite cortar o tronzar la pieza perpendicularmente al eje de
rotación de la pieza.
Torno. Una herramienta que se usa comúnmente para maquinar formas
cilíndricas. Generalmente se considera la columna vertebral del taller.
Unidad de control de la máquina. Una computadora pequeña y poderosa que
controla y opera una máquina de CNC.
XXII
MARCO TEORICO
XXIII
La necesidad de modificar o crear nuevas herramientas de trabajo, se han
llevado a la par conforme avanza la creación de nueva tecnología, tal es el caso
de la prensa para taladro, la cual es sin duda una herramienta básica para el taller,
la gran variedad de procesos para la fabricación de partes y elementos mecánicos
requieren de esta herramienta para lograr un producto de calidad.
La prensa para taladro, es una herramienta de sujeción de tipo y uso variado
en un taller. Es un instrumento que nos sirve para inmovilizar las piezas sobre el
banco de trabajo, se caracteriza por estar formado por dos bocas, una fija y otra
deslizable mediante un eje roscado, la forma de sus guías, la longitud de las bocas
y el tipo de base, fija o móvil, por otro lado es de considerar que el tamaño de una
prensa para taladro se determina según el ancho de sus mordazas.
La mordaza se fabrica de hierro fundido con una de sus mordazas sujetas a la
base y la otra ajustada mediante una manivela o una palanca. Las caras internas
de la mordaza que son de acero templado, tienen por lo general dientes de sierra
cortados en toda su superficie y con frecuencia pueden dañar las piezas de trabajo
terminadas o las fabricadas de materiales blandos como son los de aluminio,
madera, plástico de baja densidad, etc., para impedir que ocurra lo anterior se
fabrican mordazas blandas para deslizarlas sobre las mordazas comunes de los
tornillos.
El funcionamiento de la mordaza consiste en fijar la prensa para taladro al
banco de trabajo, colocar el objeto a sujetar entre las placas de apoyo situadas y
paralelas entre si, una de ellas en la base de fijación y la otra es la mordaza móvil
la cual se encuentra unida a la deslizadera en este caso por medio de tornillos de
cabeza ranurada 6-32UNC-2B 3/8 siguiendo la norma ISO definida como de paso
americano normal (Unified National Coarse), en el desplazamiento por medio de
una manivela que permitirá el cierre o apertura de un eje roscado denominado
husillo que se encuentra sujeto por un soporte, hasta el punto necesario para su
correcto ajuste.
XXIV
RESUMEN DE LOS MODULOS DEL PROGRAMA DEL SEMINARIO.
MATLAB
1.- El Programa MATLAB
MATLAB es el nombre abreviado de “MATrix LABoratory”. MATLAB es un
programa para realizar cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso
particular puede también trabajar con números escalares tanto reales como
complejos, con cadenas de caracteres y con otras estructuras de información más
complejas. Una de las capacidades más atractivas es la de realizar una amplia
variedad de gráficos en dos y tres dimensiones. MATLAB tiene también un
lenguaje de programación propio. Este reporte hace referencia a la versión 6.1 de
este programa, aparecida a mediados de 2001.
MATLAB es un gran programa de cálculo técnico y científico. Para ciertas
operaciones es muy rápido, cuando puede ejecutar sus funciones en código nativo
con los tamaños más adecuados para aprovechar sus capacidades de
vectorización. En otras aplicaciones
resulta bastante más lento que el código
equivalente desarrollado en C/C++ o
Fortran. Sin embargo, siempre es una
magnífica herramienta de alto nivel para
desarrollar aplicaciones técnicas, fácil de
utilizar y que, como ya se ha dicho,
aumenta significativamente la
productividad de los programadores respecto a otros entornos de desarrollo.
MATLAB dispone de un código básico y de varias librerías especializadas
(toolboxes).
XXV
MATLAB se puede arrancar como cualquier otra aplicación de Windows,
clicando dos veces en el icono correspondiente en el escritorio o por medio del
menú (Inicio). Al arrancar MATLAB se abre una ventana del tipo de la indicada en
la Figura 1. Ésta es la vista que se obtiene eligiendo la opción Desktop
Layout/Default, en el menú View. Como esta configuración puede ser cambiada
fácilmente por el usuario, es posible que en muchos casos concretos lo que
aparezca sea muy diferente. En cualquier caso, una vista similar se puede
conseguir con el citado comando View/Desktop Layout/Default. Esta ventana
inicial requiere unas primeras explicaciones.
La parte más importante de la ventana inicial es la Command Window, que
aparece en la parte derecha. En esta sub-ventana es donde se ejecutan los
comandos de MATLAB, a continuación del prompt (aviso) característico (>>), que
indica que el programa está preparado para recibir instrucciones.
En la parte superior izquierda de la pantalla aparecen dos ventanas también
muy útiles: en la parte superior aparece la ventana Launch Pad, que se puede
alternar con Workspace clicando en la pestaña correspondiente. Launch Pad da
acceso a todos los módulos o componentes de MATLAB que se tengan instalados,
como por ejemplo al Help o a las Demos. El Workspace contiene información
sobre todas las variables que se hayan definido en esta sesión.
En la parte inferior derecha aparecen otras dos ventanas, Command History y
Current Directory, que se pueden mostrar alternativamente por medio de las
pestañas correspondientes. La ventana Command History muestra los últimos
comandos ejecutados en la Command Window. Estos comandos se pueden
volver a ejecutar haciendo doble clic sobre ellos. Clicando sobre un comando con
el botón derecho del ratón se muestra un menú contextual con las posibilidades
disponibles en ese momento. Para editar uno de estos comandos hay que copiarlo
antes a la Command Window. Por otra parte, la ventana Current Directory
muestra los ficheros del directorio activo o actual. A diferencia de versiones
XXVI
anteriores de MATLAB en que el directorio activo se debía cambiar desde la
Command Window, a partir de la versión 6.0 se puede cambiar desde la propia
ventana (o desde la barra de herramientas, debajo de la barra de menús) con los
métodos de navegación de directorios propios de Windows. Clicando dos veces
sobre uno de los ficheros *.m del directorio activo se abre el editor de ficheros de
MATLAB, herramienta fundamental para la programación.
Es con grandes matrices o grandes sistemas de ecuaciones como MATLAB
obtiene toda la potencia del ordenador. Por ejemplo, las siguientes instrucciones
permiten calcular la potencia de cálculo del ordenador en Megaflops (millones de
operaciones aritméticas por segundo). En la primera línea se crean tres matrices
de tamaño 500×500, las dos primeras con valores aleatorios y la tercera con
valores cero. La segunda línea toma tiempos, realiza el producto de matrices,
vuelve a tomar tiempos y calcula de modo aproximado el número de millones de
operaciones realizadas. La tercera línea calcula los Megaflops por segundo, para
lo cual utiliza la función etime() que calcula el tiempo transcurrido entre dos
instantes definidos por dos llamadas a la función clock1:
>> n=500; A=rand(n); B=rand(n); C=zeros(n);
>> tini=clock; C=B*A; tend=clock; mflops=(2*n^3)/1000000;
>> mflops/etime(tend,tini)
Otro de los puntos fuertes de MATLAB son los gráficos, como ejemplo, se
puede teclear la siguiente línea y pulsar intro:
>> x=-4:.01:4; y=sin(x); plot(x,y), grid, title('Función seno(x)')
En la Figura 2 se puede observar que se abre una nueva ventana en la que
aparece representada la función sin(x). Esta figura tiene un título "Función
seno(x)" y una cuadrícula o "grid". En realidad la línea anterior contiene también
varias instrucciones separadas por comas o puntos y comas. En la primera se
XXVII
crea un vector x con 801 valores reales entre -4 y 4, separados por una
centésima. A continuación se crea un
1 En un Pentium III a 800 Mhz el número de Mflops puede ser del orden de 500. Hace 10 años un
ordenador de esta potencia hubiera costado varios millones de Euros.
vector y, cada uno de cuyos
elementos es el seno del
correspondiente elemento del
vector x.
Después se dibujan los
valores de y en ordenadas frente a
los de x en abscisas. Las dos
últimas instrucciones establecen la
cuadrícula y el título.
Figura 2. Gráfico de la función seno(x).
Un pequeño aviso antes de seguir adelante. Además de con la Command
History, es posible recuperar comandos anteriores de MATLAB y moverse por
dichos comandos con el ratón y con las teclas-flechas ↓ y ↑. Al pulsar la primera de
dichas flechas aparecerá el comando que se había introducido inmediatamente
antes. De modo análogo es posible moverse sobre la línea de comandos con las
teclas ← y →, ir al principio de la línea con la tecla Inicio, al final de la línea con
Fin, y borrar toda la línea con Esc. Recuérdese que sólo hay una línea activa (la
última).
Como ejemplo se observa un programa para modelar un cilindro el cual puede
servir para el modelo matemático del husillo.
>> t=0:pi/10000:360*pi;
>> x=cos(t);
>> y=sin(t);
>> z=t;
XXVIII
>> plot3(x,y,z),grid on,axis square;
>> hold on
>> xlabel('X'),ylabel('Y'),zlabel('Z'),title('La Espiral')
>> hold on
>> z1=-t;
>> plot3(x,y,z1);.
También se pueden copiar y volcar sobre la línea de comandos, pero se ha de
copiar toda la línea, sin que se admita la copia de un fragmento de la sentencia.
Existen opciones para borrar algunas o todas las líneas de esta ventana. También
este componente es una novedad de la versión 6.
XXIX
MECHANICAL DESKTOP 6 POWER PACK.
Mechanical Desktop es un programa de modelado paramétrico 3D empleado
en aplicaciones de diseño mecánico. Al iniciar Mechanical Desktop tiene la
posibilidad de ejecutarlos con o sin Power Pack. El software Mechanical Desktop
dispone de herramientas de diseño para:
• Crear piezas a partir de operaciones de boceto y predefinidas.
• Combinar piezas externas y piezas auxiliares.
• Generar ensamblajes y subensamblajes.
• Definir escenas para vistas de dibujo.
• Configurar hojas y vistas de dibujo.
• Anotar dibujos para la documentación final.
• Administrar y volver a utilizar datos de diseño.
• Migrar y modificar datos de sólidos heredados.
1. DIMENSIONES.
Existen tres tipos de dimensiones que utiliza Mechanical Desktop 6:
Dimensiones Parametricas, dimensiones de referencia, y dimensiones asociativas.
Una dimensión parametrica controla una característica de la parte parametrica. Si
se cambia la dimensión cambia la parte.
Puede colocar una dimensión de referencia en una parte en el modo Drawing.
Así como las dimensiones parametricas, las dimensiones de referencia no
controlan las partes, pero sigue las modificaciones de la parte.
Para crear una dimensión asociativa use los comandos de dimensiones
estándar de AutoCAD.
XXX
Las dimensiones parametricas controlan la medida y posición del objeto en un
PROFILE. Al introducir los valores de la dimensión en la línea de comando para
cambiar los valores existentes el PROFILE cambia automáticamente reflejando los
nuevos valores. En base a los objetos se selecciona donde colocar las
dimensiones.
Cuando se desea asignan dimensiones parametricas se hace introduciendo
números. Las dimensiones pueden ser desplegadas como números constantes o
como ecuaciones. Aunque se pueden intercambiar, cada uno tiene un uso
específico. Las constantes numéricas son útiles cuando un elemento geométrico
tiene una medida estática y no se relaciona con algún otro elemento geométrico.
Las ecuaciones son útiles cuando la medida de un elemento geométrico es
proporcional a la medida de otro elemento.
El TOLERANCE MODELING permite agrupar una desviación de dimensiones
máxima y mínima que proporciona flexibilidad, cuando se fabrica una parte, se
puede crear una tolerancia de partes en 3D, colocando el resultado calculado de la
dimensión con la tolerancia en medio (o entre) el valor de la tolerancia. Se debe
revisar por interferencia entre las partes toleradas. El MODELING es a menudo
más usado para generar datos de control numérico (NC).
El primer paso para la creación de una parte es crear un SKETCH de forma y
medida aproximada de las partes. Para crear una línea exterior en 2D de la forma
general. Se crea este ROUGH SKETCH al construir una forma cerrada o abierta,
cualquiera puede usar líneas y arcos o usar las opciones del menú de diseño
como ayuda para crear formas básicas.
Después de dibujar una forma cualquiera, esta debe representar una
parte propuesta anteriormente, a continuación debe resolverse el SKETCH. Al
resolver el SKETCH se determina cuantas restricciones deben ser aplicados a los
objetos completos que se describen en el SKETCH y sus relaciones geométricas.
XXXI
Cuando se resuelva el SKETCH, ya se puede crear un profile (perfil parametrico),
cut line, split line, or break line de la geometría del SKETCHED.
2. SISTEMAS COMPATIBLES
Durante el proceso de diseño puede complementar Mechanical Desktop con
otros programas de diseño asistido por ordenador (CAD). IGES translator, el
conversor integrado para transferir y compartir datos CAD entre sistemas
CAD/CAE/CAM se instala junto con AutoCAD Mechanical.
Step (Standard for Exchange of Product Model Data) es la Norma ISO
(International Standards Organization) Initial Graphics Exchange Specification
(IGES) es la norma ANSI para el intercambio de datos entre sistemas CAD y es
reconocida por muchos proveedores de CAD.
IGES translator es compatible con la versión más reciente de IGES y con las
normas relacionadas. Admite tanto la iniciativa CALS (Continuous Acquisition and Life-cicle Support) del Departamento de Defensa de los EE.UU. como el
subconjunto JAMA (Japanese Automotive Manufacturers Association) de
IGES.
El conversor admite los siguientes tipos de objetos de diseño:
• Geometría alámbrica bidimensional y tridimensional.
• Superficies regladas paramétricas y NURBS.
• Sólidos nativos de Mechanical Desktop y Autocad, así como sólidos
IGES de presentación de contorno (B-rep).
Mechanical Desktop es un paquete integrado con avanzadas herramientas de
modelado tridimensional y funciones de dibujo bidimensional que le permitirá
conceptualizar, diseñar y documentar productos mecánicos.
XXXII
Puede crear no solo dibujos bidimensionales sino también modelos de piezas
tridimensionales.
Puede utilizar estas piezas tridimensionales para crear dibujos bidimensionales
y ensamblajes tridimensionales.
Machanical Desktop es un sistema basado en cotas que crea modelos
paramétricos.
El modelo se define en términos de tamaño, forma y posición de sus
operaciones. Puede modificar el tamaño y la forma del modelo, conservando el
proyecto de diseño.
Construya piezas a partir de operaciones: las formas básicas de las piezas.
Bloques básicos como extrusiones, solevados, barridos, curvaturas, agujeros,
empalmes y chaflanes se combinan paramétricamente para crear una pieza.
XXXIII
La mayoría de las operaciones se crean a partir de bocetos.
Los bocetos de pueden extrudir, revolucionar, solevar o barrenar a lo largo de
un camino para crear operaciones.
Trabaje en el entorno de modelado de piezas para crear piezas sencillas.
En este entorno solo puede haber una pieza en el dibujo. Las piezas
adicionales se convertirán en piezas auxiliares no consumidas a los efectos de
crear una pieza combinada. Use archivos de pieza para construir una biblioteca de
piezas básicas.
Trabaje en modelado de ensamblajes para crear múltiples piezas y
ensamblajes.
XXXIV
En este entorno el dibujo puede contener un número ilimitado de piezas. Se
puede hacer referencia externa a piezas desde archivos de pieza o ensamblaje o
se las puede convertir en internas en archivos de ensamblaje.
Las piezas individuales se pueden combinar para crear subensamblajes y
ensamblajes.
Los archivos de ensamblaje contienen más de una pieza. Las piezas se
combinan entre si mediante restricciones de ensamblaje que definen sus
posiciones individuales para conformar el producto final.
ANSYS VERSIÓN 10.
ANSYS es un paquete de modelado de Elemento finito para propósitos generales
que resuelve numéricamente una amplia variedad de problemas mecánicos. Estos
problemas incluyen problemas de análisis estructural estático/dinámico (ambos
lineales y no-lineales), problemas de transferencia de calor y fluidos, asi como
problemas acústicos y electromagnéticos.
En general una solución del elemento finito puede dividirse en las siguientes tres
etapas. Lo que permite establecer cualquier Análisis de Elemento Finito.
1. Preprocessing: definiendo el problema; la etapa mayor en el
preprocessing son dados abajo:
a. Define keypoints/lines/areas/volumes b. Define element type and material/geometric properties c. Mesh lines/areas/volumes as required
La cantidad de detalles requeridos dependerán de la dimensionalidad del
análisis (i.e. 1D, 2D, axi-symmetric, 3D).
XXXV
Solution: asignación de cargas, constraints and solving; ahí especificamos
las cargas (punto o presión), contraints (translacional y rotacional) y finalmente
resuelve el resultado del grupo de ecuaciones.
Postprocessing: mas allá del proceso y visión de los resultados; en esta
etapa uno puede ver:
d. Lists of nodal displacements
e. Element forces and moments
f. Deflection plots
g. Stress contour diagrams
1. ANSYS V10.0 Environment
El ambiente de ANSYS para ANSYS 10.0 contiene 2 ventanas (windows): la
ventana principal y una ventana exterior.
1. Main Window
La Main Window tiene 5 divisiones:
a. Utility Menu
Utility Menu contiene funciones que están disponibles en toda la sesión de
ANSYS, tales como file controls, selections, graphic controls y parameters.
XXXVI
b. Input Line
Input Line muestra mensajes del prompt y permite dirigir el tipo de comandos.
c. Toolbar
Toolbar contiene botones ejecutables que comúnmente utiliza ANSYS. Si se
desea se pueden aumentar mas botones.
d. Main Menu
Main Menu contiene funciones primarias de ANSYS, organizadas por el
preprocessor, solution, general postprocessor, design optimizer. Esto es
debido al menú que tiene una vasta mayoría de comandos de modelling. Sin
embargo mientras las versiones de ANSYS aparezcan diferentes, la estructura del
menú no cambia.
e. Graphics Window
Graphic Window es donde las graficas son mostradas y la selección grafica
puede hacerse. Es aquí donde podrá verse gráficamente el modelo en todas sus
etapas de construcción y seguir los resultados del análisis.
2. Output Window
Output Window muestra el texto de salida del programa, como una lista de
datos esta posicionado atrás de Main Window y puede colocarse en el frente si es
necesario.
XXXVII
2. CARACTERÍSTICA DE ANSYS MULTIPHYSICS.
ANSYS Multiphysics proporciona las capacidades estructurales, termales, del
CFD, acústicas y electromagnéticas juntadas más comprensivas el combinar de la
herramienta de la física de la industria del análisis de la simulación en un solo
producto de software, como se indica a continuación.
XXXVIII
MANUFACTURA.
Una herramienta es un dispositivo que provee una ventaja mecánica al
realizar una determinada tarea. La mayoría de las herramientas emplean una
máquina simple, o una combinación de ellas. Por ejemplo, un martillo es una
palanca cuyo punto de apoyo se encuentra en la mano del usuario.
Una de las diferencias en este campo entre los humanos y el resto de
mamíferos es la capacidad de fabricar herramientas con herramientas, ya que los
chimpancés utilizan palos para sacar hormigas de su escondite.
Las herramientas pueden ser manuales o mecánicas. Las manuales se usan
con la fuerza del hombre mientras que las mecánicas se usan con una fuente de
energía externa, por ej. la energía eléctrica.
Por extensión, el término se aplica a otras invenciones o dispositivos que
tienen la capacidad de aumentar la capacidad para ejecutar cierta tarea o
cometido:
• en informática se utilizan las herramientas de programación.
• en matemáticas se habla de herramientas matemáticas.
• en gestión se utiliza el término herramientas de gestión.
PROCESOS DE MANUFACTURA:
• Moldeo • Fundición • Pulvimetalurgia • Moldeo por inyección • Conformado o deformación plástica. • Laminación • Forja • Extrusión
XXXIX
• Estirado • Conformado de chapa • Encogimiento
PROCESOS CON ARRANQUE DE MATERIAL
• Mecanizado • Torneado • Fresadora • Taladrado • Electroerosión
PROCESOS CON APORTE DE MATERIAL (RAPID PROTOTYPING)
SOLDADURA
• Tratamiento térmico • Templado • Revenido • Recocido • Normalizado • Cementación • Nitruración
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
• Eléctricos • Electro-pulido • Abrasivos • Pulido
TECNOLOGÍA QUÍMICA
• Procesos físicos • Procesos químicos • Tratamientos superficiales • Pasivado
1. MECANIZADO CON MAQUINA HERRAMIENTA.
El mecanizado se hace mediante una maquina herramienta, manual,
semiautomática o automática, pero el esfuerzo de mecanizado es realizado por un
equipo mecánico, con los motores y mecanismos necesarios.
XL
Las Maquinas Herramientas de Mecanizado Clásicas son:
Taladro: La pieza es fijada sobre la mesa del taladro, la herramienta, llamada
broca, realiza el movimiento de corte giratorio y de avance lineal, realizando el
mecanizado de un agujero o taladro del mismo diámetro que la broca y de la
profundidad deseada.
2. EL TORNO.
El torno es una máquina-herramienta adecuada para fabricar piezas de forma
geométrica de revolución. También se denomina torno al que se utiliza desde
antiguo en alfarería para formar piezas de arcilla simétricas. En este caso consiste
en un plato circular montado sobre un eje vertical, sobre el cual se apoya el
material a trabajar. En sus inicios, el eje del torno de alfarero tenía en su parte
inferior otro plato, que se hacía girar con los pies para dar movimiento al conjunto.
Más tarde comenzaron a utilizarse tornos adecuados para carpintería y, a partir de
la Revolución industrial, el torno como máquina-herramienta se ha convertido en
una máquina básica en el proceso industrial de mecanizado.
Torno mecánico
XLI
3. TORNO MECÁNICO.
El torno mecánico es una máquina-herramienta para mecanizar piezas por
revolución, arrancando material en forma de viruta mediante una herramienta de
corte. Esta será apropiada al material a mecanizar y puede estar hecha de acero
al carbono, acero rápido, acero rápido al cobalto, widia, cerámica, diamante, etc.,
aunque siempre será más dura y resistente que el material mecanizado.
Es una máquina muy importante en la fabricación, que data del año 1910 en
sus versiones modernas. A mediados del siglo XVII existían versiones simples
donde el movimiento de las piezas a mecanizar se accionaba mediante arreglos
por cuerdas. A partir de la revolución industrial se establecen los parámetros
principales de esta máquina que, exceptuando la integración del control numérico
por computadora en los últimos decenios, ha tenido modificaciones mínimas.
El torno puede realizar operaciones de cilindrado, mandrinado, roscado,
refrentado, ranurado, taladrado, escariado, moleteado, cilindrado en línea, etc.,
mediante diferentes tipos de herramientas y útiles intercambiables con formas
variadas según la operación de conformado que realizar. Con los accesorios
apropiados, que por otra parte son sencillos, también se pueden efectuar
operaciones de fresado, rectificado y otra serie de operaciones de mecanizado.
4. MOVIMIENTOS DE TRABAJO EN LA OPERACIÓN DE
TORNEADO.
Movimiento de corte: por lo general se imparte a la pieza que gira
rotacionalmente sobre su eje principal. Este movimiento lo imprime un motor
eléctrico que transmite su giro al husillo principal mediante un sistema de poleas o
engranajes. El husillo principal tiene acoplado a su extremo distintos sistemas de
XLII
sujeción (platos de garras, pinzas, mandrinos auxiliares u otros), los cuales sujetan
la pieza a mecanizar.
Movimiento de avance: es debido al movimiento de la herramienta de corte
en la dirección del eje de la pieza que se está trabajando. En combinación con el
giro impartido al husillo, determina el espacio recorrido por la herramienta por cada
vuelta que da la pieza. Este movimiento también puede no ser paralelo al eje,
produciéndose así conos. En ese caso se gira el carro de debajo del transversal
ajustando en una escala graduada el ángulo requerido, que será la mitad de la
conicidad deseada.
Profundidad de pasada: movimiento de la herramienta de corte que
determina la profundidad de material arrancado en cada pasada. La cantidad de
material factible de ser arrancada depende del perfil del útil de corte usado, el tipo
de material mecanizado, la velocidad de corte, etc.
5. ESTRUCTURA DEL TORNO
El torno tiene cuatro componentes principales:
Bancada: Sirve de soporte para las otras unidades del torno. En su parte
superior lleva unas guías por las que se desplaza el cabezal móvil o contrapunto y
el carro principal.
Cabezal fijo: Contiene los engranajes o poleas que impulsan la pieza de
trabajo y las unidades de avance. Incluye el motor, el husillo, el selector de
velocidad, el selector de unidad de avance y el selector de sentido de avance.
Además sirve para soporte y rotación de la pieza de trabajo que se apoya en el
husillo.
XLIII
Cabezal móvil: El contrapunto puede moverse y fijarse en diversas posiciones
a lo largo. La función primaria es servir de apoyo al borde externo de la pieza de
trabajo.
Carros portaherramientas: Consta del carro principal, que produce los
movimientos de avance y profundidad de pasada, el carro transversal, que se
desliza transversalmente sobre el carro principal, y el carro superior orientable,
formado a su vez por tres piezas: la base, el charriot y el portaherramientas. Su
base está apoyada sobre una plataforma giratoria para orientarlo en cualquier
dirección
6. CLASIFICACIÓN DE LOS TORNOS.
Tornos Según Su Tipo
• Torno horizontal • Torno CNC
7. TORNOS SEGÚN SU CAPACIDAD DE TRABAJO.
Tornos De No-Producción
Torno paralelo: Es el más común y tiene los componentes básicos y puede
efectuar las operaciones ya descritas.
Torno rápido: Se utiliza principalmente para operaciones de torneado rápido
de metales, para madera y para pulimento.
Torno para taller mecánico: se utiliza para hacer herramientas, matrices o
piezas de precisión para maquinaria.
XLIV
8. TORNOS DE SEMIPRODUCCIÓN.
Horizontal: se clasifica en ariete o de portaherramientas. Los arietes tienen
torreta para herramienta múltiple montado en el carro superior. El carro superior es
adecuado para materiales gruesos que necesitan mucho tiempo para tornear o
perforar.
9. TORNOS DE PRODUCCIÓN.
Tornos de mandril automático o tornos al aire: Son similares a los tornos
tipo revólver de ariete o carro superior, excepto que la correa está montada
verticalmente. No tiene contrapunta y el movimiento para el avance se aplica en la
torreta. En estos tornos se utiliza una serie de pasadores y bloques de disparos
para controlar las operaciones.
Tornos automáticos para roscar: Son automáticos, incluso la alimentación al
sujetador del material de trabajo. Se controlan con una serie de excéntricas que
regulan el ciclo. Son del tipo de husillos individuales o múltiples.
Los de husillo individual son similares a un torno revólver excepto por la
posición de la torreta. Los tornos suizos para roscar difieren de los demás en el
que el cabezal produce el avance de la pieza de trabajo, estos también tienen un
mecanismo de excéntricas para el avance de la herramienta, estas mueven a la
herramienta de corte que está soportada vertical, hacia adentro y hacia afuera
mientras la pieza de trabajo pasa frente a la herramienta.
Los tornos para roscar con husillos múltiples tienen de cuatro a ocho husillos
que se alinean a diversas posiciones. Cuando se alinean los husillos efectúan
diversas operaciones en la pieza de trabajo. Al final de una revolución, se termina
la pieza de trabajo. En un torno de ocho husillos, la pieza se alinea ocho veces
para efectuar el ciclo de la máquina. Cada vez que se alinea el carro, se termina
una pieza y se descarga el husillo.
XLV
10. LA FRESA.
Una fresadora es una máquina-herramienta utilizada para dar formas
complejas a piezas de metal u otros materiales. Son máquinas que pueden
ejecutar una gran cantidad de operaciones de mecanizado complejas, como cortes
de ranuras, planificación, perforaciones, encaminado, etcétera.
Dependiendo de la complejidad de la fresadora, ésta puede, o no, tener un
controlador electrónico el cual sea capaz de recibir instrucciones para su
operación automática.
Los movimientos en el trabajo realizado con una fresadora observan el dictado de
los planos cartesianos; pues en un caso sencillo, dígase de una fresadora manual,
la acción será la de una vertical o una horizontal, más en una máquina más
sofisticada, la dirección de movimientos puede ser combinada, aún en mayor
cantidad de movimientos axiales, los cuales se subscriben a la regla de la mano
derecha, a continuación se muestra la tabla de contenidos con las características
de la fresa: 1. Forma básica
2. Instrucciones a la máquina y códigos de programación
3. Partes
10.1. Forma Básica
Su forma básica es la de un cortador rodante que gira en el eje vertical. El
cortador se puede mover en tres dimensiones y, en muchos casos, lo puede hacer
con diversas orientaciones con relación a la pieza a mecanizar. Esto contrasta con
el taladro, que sólo se puede mover en una dimensión mientras corta.
XLVI
Fresadora, Movimiento de Corte y Avance
El movimiento a lo largo de la superficie de la pieza a mecanizar se lleva a
cabo, generalmente, mediante una tabla móvil en la que se monta la pieza a
mecanizar, preparada así para moverse en dos dimensiones. Se puede operar las
máquinas fresadoras tanto manualmente como mediante control numérico por
computadora ó CNC.
10.2. Instrucciones a la Máquina y Códigos de Programación.
En la programación para el mecanizado por fresadora se debe tener siempre
presente la realidad física y las limitaciones de la máquina; esto significa que el
trabajo a ser realizado sobre el material debe ser paulatino y precavido,
directamente con relación a las dimensiones y al tipo de material a ser trabajado,
cuidando de no chocar los componentes mecánicos, ni pedir o esperar que la
máquina, ni sus herramientas de corte, logren hacer más de su capacidad,
específicamente, por resultado de la instrucción o comando por no tener los
parámetros ó valores debidos; por ejemplo, la velocidad con la que debe cortar, o
la profundidad de corte en referencia al diámetro y material de la misma
herramienta de corte; éstas son variables importantes, como lo son también las
revoluciones por minuto (r.p.m.).
XLVII
Por ser un proceso de fabricación en el que el material es transformado por el
desprendimiento o arranque de partículas del mismo, es muy común el empleo de
un agente enfriador, el cual aporte cualidades lubricantes; por ejemplo, el aceite
soluble en agua. Por esto, en el código para programación, se encuentra una
instrucción específica para accionar y otra para parar el chorro dirigido.
Algunos de los códigos G y M para programación, pueden ser comunes entre
muchas de las máquinas, y otros dependerán de cada máquina y sus
controladores.
10.3. Partes.
• Interruptor marcha/paro.
• Guía de profundidad.
• Bloqueo de la guía de profundidad.
• Porta-fresas de 6 u 8 mm.
• Guía paralela.
• Sistema de aspiración.
• Sistema de bomba de agua
CONTROL NUMÉRICO POR COMPUTADORA (CNC).
Se considera de Control Numérico por Computadora (CNC) a todo
dispositivo capaz de dirigir el posicionamiento de un órgano mecánico móvil
mediante órdenes elaboradas de forma totalmente automática a partir de
informaciones numéricas en tiempo real.
Las operaciones de maquinado que se pueden realizar en una máquina CNC
son operaciones de torneado y de fresado. Sobre la base de esta combinación es
posible generar la mayoría (si no todas) las piezas de industria.
XLVIII
Para maquinar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificaran
el movimiento de la herramienta de corte.
El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de
trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la maquinan, usando un
programa informático ejecutado por un ordenador. En el caso de un torno, hace
falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el
eje de las X para los desplazamientos laterales del carro y el eje de las Z para los
desplazamientos transversales de la torreta. En el caso de las fresadoras se
controlan los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Y. Para ello se
incorporan motores eléctricos en los mecanismos de desplazamiento del carro y la
torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la fresadora.
Aparte de las máquinas-herramienta para modelar metales, el CNC se aplica
también en la fabricación de muchos otros productos de ebanistería, carpintería,
etc. La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han hecho
aumentar enormemente la producción, al tiempo que ha hecho posible efectuar
operaciones de conformado que era difícil de hacer con máquinas convencionales,
por ejemplo la realización de superficies esféricas manteniendo un elevado grado
de precisión dimensional. Finalmente el uso de CNC imparta los costos de
producción al propiciar la baja de costes de fabricación de muchas máquinas,
manteniendo o mejorando su calidad.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS NORMAS ISO 9000
La familia de normas ISO 9000 se compone por cuatro aplicaciones
fundamentales denominadas 9001, 9002, 9003 y 9004 las cuales se describen a
continuación.
La Norma ISO 9001, es aplicable a sistemas que comprendan las
actividades de diseño, desarrollo, fabricación, instalación y servicio.
XLIX
La Norma ISO 9002, es aplicable a sistemas que comprendan las
actividades de producción, instalación y servicio.
La Norma ISO 9003, es aplicable a sistemas que comprendan inspección y
pruebas finales.
La Norma ISO 9004, describe las directrices generales de la gestión de
calidad y los elementos de un sistema de calidad.
EQUIVALENCIA DE LAS NORMAS ISO 9000 Y LAS NORMAS MEXICANAS NMX-CC NORMA ISO 9000
NORMA MEXICANA NMX-CC
CONCEPTO
ISO 8402
NMX-CC-1 Vocabulario.
ISO 9000 NMX-CC-2 Gestión de calidad, guía para la selección y el uso de normas de aseguramiento de la calidad.
ISO 9001 NMX-CC-3 Modelo para el aseguramiento de la calidad aplicable al proyecto, diseño, fabricación, instalación y servicio.
ISO 9002 NMX-CC-4 Modelo para el aseguramiento de la calidad aplicable a la fabricación e inspección.
ISO 9003 NMX-CC-5 Modelo para el aseguramiento de la calidad aplicable a la inspección y pruebas finales.
ISO 9004 NMX-CC-6 Gestión de calidad y elementos de un sistema de calidad, directrices generales.
ISO 10011-1 ISO 10011-3
NMX-CC-7 Auditorias de calidad.
ISO 10011-2
NMX-CC-8 Calificación y certificación de auditores.
NMX-CC-9 Criterios generales para los organismos de certificación de sistemas de calidad.
NMX-CC-10 Criterios generales para los organismos de certificación de productos.
NMX-CC-11 Criterios generales para los organismos de certificación de personal.
NMX-CC-12 Criterios generales referentes a la declaración de conformidad de los proveedores.
NMX-CC-13 Criterios generales para la operación de los laboratorios de pruebas.
NMX-CC-14 Criterios generales para la evaluación de los laboratorios de pruebas.
NMX-CC-15 Criterios generales relativos a los organismos de
L
EQUIVALENCIA DE LAS NORMAS ISO 9000 Y LAS NORMAS MEXICANAS NMX-CC NORMA ISO 9000
NORMA MEXICANA NMX-CC
CONCEPTO
acreditamiento de laboratorios. NMX-CC-16 Criterios generales relativos a las unidades de
verificación – entidades de inspección. NMX-Z-109
Términos generales y sus definiciones referentes a la normalización y actividades conexas.
1
CAPITULO I. MODELADO Y DISEÑO CON MECHANICAL DESKTOP
2
1.1. MODELADO Y DISEÑO DE LA MORDAZA DESLIZANTE.
• Se empieza abriendo Mechanical Desktop 6 Power Pack.
• Mechanical Desktop Power Pack Today.
Se selecciona la pestaña Create Drawings.
Select how to begin,
Star From Scratch,
Se selecciona el sistema Métrico Metric (mm)
OK.
• En la Barra de Menús, se da clic en Asist, Format, Drawing Litmits,
En la línea de comandos se introducen los límites se da 280, 215, para
una hoja tamaño carta en mm.
• En la barra de dibujo le damos clic en el icono Rectangle para hacer un
rectángulo arbitrario en medidas.
• Se hace sketch con el icono Profile a Sketch. Primero se selecciona la
figura y se le da enter. La barra de comandos indica que necesita 2
dimensiones o restricciones.
• En la barra de Part Modeling, se mantiene oprimido el icono Power
Dimensioning, a continuación se despliegan cuatro iconos a la
derecha, seleccionando el segundo que es New Dimension, a partir del
punto fijo indicado por la letra F, ahí se selecciona un lado y se introduce
la nueva dimensión que es de 60.3 mm., haciendo esto se continua con
el otro lado del mismo modo se selecciona y se introduce el nuevo valor
de 35.32 mm. Cuando aparece en la barra de comandos Solved fully
constrained sketch, indica que esta totalmente dimensionado o
restringido.
• Para la extrusión del perfil, se debe posicionar en la barra Part
Modeling, se selecciona el icono Sketched Feature-Extrude, donde
aparece la ventana de Extrusion, la cual contiene las siguientes
opciones activas:
Distance: se introduce el valor de 28.575 milímetros. Flip: quedara como esta.
3
Draft Angle: quedará como esta. Type: se deja en Blind. Finalmente se genera la extrusión dando OK.
• A continuación con el corte de la parte superior que es inclinado, se
selecciona el icono SW View Isometric de la barra de Herramientas
View, se escoge de la barra Part Modeling, el icono New Sketch Plane a continuación del screen donde se encuentra el drawing se selecciona
la cara más cercana en el plano ZY, dando enter, se introduce F para
cambiar la dirección de nuestro sistema de coordenadas y se da enter
otra vez para terminar el comando. Ahora ya se tiene el nuevo plano de
trabajo.
• En ese plano se dibujara un triangulo con ayuda de los objetos de
referencia, seleccionando el icono Line de la barra de dibujo y
comenzando por una esquina, enseguida otro punto arbitrario en la
dirección Y, se selecciona el icono Snap to Midpoint para dibujar la
línea hacia el punto medio del lado superior en la dirección en X,
cerrando la línea inicial
• Para Hacerlo Sketch con el icono Profile a Sketch. Se selecciona el
icono New Dimension para proporcionarle las nuevas dimensiones que
son de los vértices hacia las direcciones Y y X de los extremos de la
figura, con un valor de 7.9375 y 4.7625 mm. respectivamente. Se
restringe en el vértice del ángulo de 90º con la figura de manera que
queden juntos, para esto se tienen que introducir los valores de 0 para
cada dirección en X y Y respectivamente.
• Una vez restringido se hace la extrusión del Sketch, seleccionando el
icono Sketched Feature-Extrude, y se introducen los siguientes datos:
Operation: Seleccionando Cut. Distance: queda desactivada. Flip: quedara como esta. Draft Angle: queda como esta. Type: se selecciona Through. OK y estará listo el corte.
4
• Continuando con la unión de la parte que contiene arcos, para hacer
esto se selecciona el icono New Sketch Plane de la barra Part Modeling y seleccionando la cara de atrás en el plano XZ., se da enter,
y a continuación F para cambiar la dirección del plano y R para rotar los
ejes hasta conseguir el plano deseado nos auxiliamos de la vista NE
Isometric View para poder seleccionar la cara. Una vez ahí se
comienza a dibujar una figura parecida a la forma que tendrá el Sketch,
la cual lleva un circulo de radio 12.7 mm., como siguiente paso se
restringe la figura y se dimensiona según el dibujo preliminar, y una vez
resuelto, se procede con la extrusión, dando valores:
Operation: Se selecciona Join. Distance: se introduce el valor de 28.575 mm. Flip: se le da clic según la dirección que se requiera. Draft Angle: queda como esta. Type: se selecciona Blind. OK y se genera la extrusión
• Se procede a continuación con la unión del diente. Seleccionando el
icono New Sketch Plane y seleccionando la cara inferior, utilizando el
icono Rectangle se dibuja un rectángulo arbitrario, convirtiéndolo en
Sketch a continuación con el icono Profile a Sketch, lo cual indica que
necesita 4 dimensiones o restricciones, se dimensiona con las
siguientes medidas, 7.9375 y 25.4 mm respectivamente en a cada uno
de sus lados, enseguida se restringe la base para que quede
exactamente en el centro de la figura de modo que el lado más grande
este del lado más corto de la figura y el lado mas corto en el lado más
corto.
• Se procede a continuación con la extrusión del Sketch con los
siguientes valores:
Operation: Se selecciona Join. Distance: se introducen los valores 9.5758 mm. Flip: se da clic según la dirección que se requiera. Draft Angle: queda como esta. Type: se selecciona Blind. Se da OK y ya queda la extrusión
5
• Enseguida se continua con las perforaciones, para hacerlas se visualiza
el diente, se selecciona New Sketch Plane y se debe colocar en la
parte inferior del diente, se introduce F para cambiar el sentido de el
sistema de ejes, dando Enter y a continuación se dibuja un circulo con
el icono Circle, de diámetro 6.35 mm, se hace Sketch a continuación y
se restringe la cara del diente de manera que quede en el centro.
• Para extruirlo con el comando Sketched Feature-Extrude se dan los
siguientes valores:
Operation: Se selecciona Cut. Distance: se introducen los valores 27.0383 mm. Flip: se le da clic en la dirección hacia adentro de la figura. Draft Angle: queda como esta en 0. Type: se selecciona Blind. Se da OK y ya queda la extrusión
• A continuando para la siguiente perforación, se repite el paso anterior y
se da enter para terminar el comando.
• Una vez ahí con el comando Circle, para dibujar una circunferencia de
diámetro 9.525 mm, se hace Sketch, se dimensiona y a continuación se
restringe concéntrico al arco que ya existe. Una vez terminado este
procedimiento, se sigue con la extrusión, indicando:
Operation: Se selecciona Cut. Distance: se introducen los valores 19.84375 mm. Flip: se da clic en la dirección hacia adentro de la figura. Draft Angle: queda como esta en 0. Type: se selecciona Blind
• A continuación para hacer los barrenos de la cara opuesta de la que se
esta trabajando este momento, se vuelve a cambiar de plano con New Sketch Plane, tecleando F para cambiar la dirección y clicando a R dos
veces para rotar los ejes, de manera que quede X a la izquierda y Y a la
derecha. Se dibujan dos circunferencias de 3.96875 mm. de diámetro,
se hace un solo Sketch y finalmente se restringen de la siguiente
manera:
6
Con el icono Radius de la barra de herramientas 2D
Constraints Toolbar, se selecciona y se da Enter,
enseguida con el icono Y Value se seleccionan las dos
circunferencias dando Enter las dos circunferencias serán
de igual diámetro y estarán a la misma distancia de Y.
Se introduce el valor que se requiere del diámetro de
3.96875 mm. y la distancia de separación entre las dos
cicunferencias siendo de 41.38mm. y 17.66mm. con
respecto a X, y finalmente se centra con respecto a Y.
• Nuevamente para la extrusión con el comando Sketched Feature-
Extrude y se insertan los siguientes datos:
Operation: se selecciona Cut. Distance: se introduce 9.525 mm. Flip: se le da clic en la dirección hacia adentro de la figura. Draft Angle: queda como esta en 0. Type: se selecciona Blind.
• Una vez hechas las perforaciones, se procede a generar las roscas.
Como se indica a continuación:
• En el menú Part Modeling, se mantiene oprimido el icono Placed
Features-Hole, donde aparecen 13 iconos a la derecha, se elige
el segundo Thread, y en seguida se selecciona cualquiera de las
perforaciones que ya se encuentran generadas al dar Enter,
aparece un cuadro de dialogo, en el que se introducen los
siguientes valores:
Thread type: ANSY Unified Screw Threads. Starting offset: 0.0000 Full thread: se selecciona. Nominal Size: #10 por default. Pitch: 32 UNF. Class/fit: 2B.
• Del mismo modo se hace la segunda rosca.
7
• A continuación se mueve la figura, volviendo a aplicar el comando, se
selecciona la perforación del diente, dando Enter, pero ahora
cambiando solo unos valores para el cuadro de dialogo que aparece:
Thread type: ANSY Unified Screw Threads. Starting offset: 0.0000 Full thread: seleccionado. Nominal Size: 7.9375mm. por default. Pitch: 20 UN. Class/fit: 2B. Se da OK y la rosca se genera.
• A continuación se procede a hacer el fileteado a los bordes. Para esto;
en la barra Part Modeling, se presiona el icono que dice Placed
Features-Hole, se desplegaran a la derecha 13 iconos, seleccionando
el cuarto que es Fillet, al hacerlo enseguida aparecerá una ventana:
Seleccionando Constant, Radius: se inserta el valor de 1.5875mm. y se da OK.
• Ahora para filetear se seleccionan las esquinas que se van a
redondear y finalmente se da Enter. De esta manera quedaran
hechos los redondeados.
1.2. MODELADO Y DISEÑO DE LA PLACA DE MORDAZA.
De igual manera que hizo con la Mordaza Deslizante, para la Placa de Mordaza se tiene.
• Se comienza abriendo Mechanical Desktop 6 Power Pack.
• En la ventana Mechanical Desktop Power Pack Today, se selecciona
la pestaña Create Drawings,
Se selecciona Select how to begin,
Se elige la opción Star From Scratch,
Se selecciona el sistema Métrico.
• Luego en la Barra de Menús, se da clic en Asist, Format, Drawing
Litmits, en la línea de comandos se indica que se introduzcan los
8
nuevos limites se introducen los valores 280, 215, que son las
dimensiones para una hoja tamaño carta.
• En la barra de dibujo se le da clic al icono Rectangle para hacer un
rectángulo arbitrario en medidas.
• Para hacerlo Sketch se da clic al icono Profile a Sketch. Primero se
selecciona la figura y se le da Enter. Entonces en la barra de comandos
indica que requiere 2 dimensiones o restricciones.
• Para dimensionar se mantiene oprimido en la barra de Part Modeling,
el icono Power Dimensioning, esta acción permite que se despliegan
cuatro iconos a la derecha, donde se selecciona el segundo que es New Dimension y a partir de la letra F, se comienza a seleccionar un lado y
se introduce la nueva dimensión con el valor de 60.3mm., continuamos
con el otro lado haciendo lo mismo introduciendo ahora el valor de
35.32mm., cuando ya esta totalmente dimensionado o restringido se
indica en la barra de comandos Solved fully constrained sketch.
• Enseguida se procede de con la extrusión del perfil, en la barra Part
Modeling, seleccionando el icono Sketched Feature-Extrude, para que
aparezca la ventana de Extrusion, la cual contiene las siguientes
opciones activas:
Distance: donde se introduce el valor de 4.76mm. Flip: quedará como esta. Draft Angle: quedará como esta. Type: se deja en Blind. Y finalmente se da OK.
• Se elige el nuevo plano de trabajo para dibujar dos circunferencias
arbitrarias en el plano inicial con New Sketch Plane.
• Una vez hecho una de las circunferencias se hace Sketch con el icono
Profile a Sketch seleccionándola y dando Enter. Con el icono New Dimension se da el valore de 3.96875mm. se restringe a la figura. Y se
procede con al extrusion introduciendo los siguientes datos:
Operation: Se selecciona Cut. Distance: permanece inactiva. Flip: cambia la dirección hacia adentro dando clic.
9
Draft Angle: queda como esta en 0. Type: se selecciona Through, para que lo atraviese.
A continuación se hace el avellanado de las dos perforaciones. Primero
se selecciona el plano perpendicular a las perforaciones y ahí se dibuja
un triangulo que mida del lado que da a la cara de la placa de
7.14375mm, entre este lado y el lado adyacente debe medir 41º, para
esto se restringe al cilindro y se procede con el barrido, introduciendo
los siguientes valores:
• Operation: Cut. • Angle: 360. • Flip: como esta. • Type: by angle.
• De esta manera la placa quedará lista.
1.3. MODELADO Y DISEÑO DEL HUSILLO.
Para empezar con el diseño del Husillo se procede de la siguiente manera.
• Se ejecuta Mechanical Desktop 6 Power Pack.
• En la ventana Mechanical Desktop Power Pack Today, se selecciona
la pestaña Create Drawings,
Se selecciona Select how to begin,
Se elige la opción Star From Scratch,
Se selecciona el sistema Métrico.
• A continuación en la Barra de Menús, se da clic en Asist,
Format,
Drawing Litmits,
Después de haber hecho esto, la línea de comandos pide los nuevos
limites, se introducen los valores 280, 215, para una hoja tamaño carta.
• Ya en el drawing se procede a crear un circulo para esto se selecciona
el icono circul del menú de comandos, se posiciona en el Drawing y se
da clic con el lado izquierdo del Mouse manteniéndolo asi hasta lograr
una geometría proporcional, después se procede a hacerlo Sketch, para
10
esto se posiciona en la barra de Part Modeling seleccionando y dando
un clic al icono Profile, después de haber hecho esto, se da un clic con
el lado izquierdo del Mouse a una parte del contorno del circulo y se da
Enter ya hecho esto se hace el siguiente paso que es dimensionarlo,
para esto se posiciona nuevamente en la barra de Part Modeling se
mantiene presionado el icono Power Dimension y se selecciona el
icono New Dimension y a partir de la letra F, se comienza
seleccionando el lado donde se desea la nueva dimensión registrando el
valor de 9mm. cuando aparece en la barra de comandos Solved fully
constrained sketch, quiere decir que esta totalmente dimensionado o
restringido.
• Para extruir el perfil, en la barra Part Modeling, se selecciona el icono
Sketched Feature-Extrude, después de hacer esto aparece la ventana
de Extrusion, la cual contiene las siguientes opciones activas:
Distance: donde se introduce 2mm.
Flip: queda como esta.
Draft Angle: queda como esta.
Type: se selecciona Blind.
Y se da OK.
• A continuación se procede a crear un nuevo plano presionando el icono
de New Sketch Plane para que sobre ese plano se pueda construir un
nuevo círculo de menor diámetro.
• En la tabla que aparece se selecciona Planar Parallel como primer
modificador (1st Modifier), a continuación se selecciona offset como
segundo modificador (2nd Modifier), y finalmente se introduce en el
offset el valor cero, hecho esto se da OK.
• Seguido de esto se selecciona el nuevo plano YX dando enter.
• En la barra de dibujo se le da clic al icono circul para hacer el nuevo
círculo con centro en el origen.
• Se selecciona el icono circul del menú de comandos, se posiciona en el
Drawing y se da clic con el lado izquierdo del Mouse manteniéndolo asi
11
hasta lograr una geometría proporcional, después se procede a hacerlo
Sketch, para esto se posiciona en la barra de Part Modeling
seleccionando y dando un clic al icono Profile, después de haber hecho
esto, se da un clic con el lado izquierdo del Mouse a una parte del
contorno del circulo y se da Enter ya hecho esto se hace el siguiente
paso, que es dimensionarlo, para esto se posiciona nuevamente en la
barra de Part Modeling se mantiene presionado el icono Power
Dimension y se selecciona el icono New Dimension y a partir de la
letra F, se comienza seleccionando el lado donde se desea la nueva
dimensión registrando el valor de 6.6mm. cuando aparece en la barra de
comandos Solved fully constrained sketch, quiere decir que esta
totalmente dimensionado o restringido.
• Para extruir el perfil, en la barra Part Modeling, se selecciona el icono
Sketched Feature-Extrude, después de hacer esto aparece la ventana
de Extrusion, la cual contiene las siguientes opciones activas:
Distance: donde se introduce 3.1mm.
Flip: queda como esta.
Draft Angle: queda como esta.
Type: se selecciona Blind.
Y se da OK.
• A continuación se procede a crear un nuevo plano presionando el icono
de New Sketch Plane para que sobre ese plano se pueda construir un
nuevo círculo de mayor diámetro.
• Se selecciona a continuación el nuevo plano YX dando enter, esto con
el objeto de construir un círculo con el diámetro de 9mm.
• Se da clic dos veces al botón izquierdo del Mouse y se muestra a
continuación el nuevo plano de trabajo.
• En la barra de dibujo le damos clic al icono circul para hacer un círculo
con centro en el origen.
12
• Se hace un Sketch clicando el icono Profile a Sketch se selecciona la
figura y se da enter. Entonces aparece en la barra de comandos la
indicación de que necesita 2 dimensiones o restricciones.
• En la barra de Part Modeling, mantenemos oprimido el icono Power Dimensioning, donde aparecen cuatro iconos a la derecha, se
selecciona el segundo que es New dimensión y a partir de la letra F, se
comienza seleccionando el lado donde se desea la nueva dimensión
registrando el valor de 9mm. cuando aparece en la barra de comandos
Solved fully constrained sketch, quiere decir que esta totalmente
dimensionado o restringido.
• Para extruir el perfil, en la barra Part Modeling, se selecciona el icono
Sketched Feature-Extrude, después de hacer esto aparece la ventana
de Extrusion, la cual contiene las siguientes opciones activas:
Distance: donde se introduce 16mm.
Flip: queda como esta.
Draft Angle: queda como esta.
Type: lo dejaremos en Blind.
• Después de verificar que son los datos correctos se da OK.
13
• A continuación se procede a crear un nuevo plano presionando el icono
de New Sketch Plane para que sobre ese plano se pueda construir un
nuevo círculo de mayor diámetro.
• En la tabla que aparece se selecciona Planar Parallel como primer
modificador (1st Modifier), a continuación se selecciona offset como
segundo modificador (2nd Modifier), y finalmente se introduce en el
offset el valor cero hecho esto se da OK.
• Seguido de esto se selecciona el nuevo plano YX dando enter.
• En la barra de dibujo se le da clic al icono circul para hacer un círculo
con centro en el origen.
• Se hace un Sketch clicando el icono Profile a Sketch se selecciona la
figura y se da enter. Entonces aparece en la barra de comandos la
indicación de que necesita 2 dimensiones o restricciones.
• En la barra de Part Modeling, mantenemos oprimido el icono Power
Dimensioning, donde aparecen cuatro iconos a la derecha, se
selecciona el segundo que es New dimensión y a partir de la letra F, se
comienza seleccionando el lado donde se desea la nueva dimensión
registrando el valor de 12.7 mm. cuando aparece en la barra de
comandos Solved fully constrained sketch, quiere decir que esta
totalmente dimensionado o restringido.
• Para extruir el perfil, en la barra Part Modeling, se selecciona el icono
Sketched Feature-Extrude, después de hacer esto aparece la ventana
de Extrusion, la cual contiene las siguientes opciones activas:
Distance: se introduce 123.32 mm.
Flip: queda como esta.
Draft Angle: queda como esta.
Type: se selecciona Blind.
• Después de verificar que son los datos correctos se da OK.
• Para generar la cuerda de este último cilindro se debe colocar en Part
Modelling manteniéndose presionado Hole donde aparecen 13 iconos
de los cuales se selecciona.
14
• A continuación en la barra de comandos se pide seleccionar un lado o
una cara del cilindro esta acción se hace dando Enter.
• En la tabla que a generar la cuerda de este ultimo cilindro se debe
colocar en Part Modelling manteniéndose presionado el icono Placed
Features-Hole donde aparecen 13 iconos de los cuales se va a
seleccionar el icono Threads.
• Cuando aparezca la tabla de Threads, se va a seleccionar lo
siguiente:
• En Thread Type la opción de ANSI Metric M Profile.
• Starting Offset se mantiene en cero.
• Para Nominal Size se selecciona M12.
• Para Pitch se selecciona 1.5 que es el número de cuerdas
por pulgada.
• Verificados los valores se da OK.
Para hacer el extremo barrenado del Husillo se debe proceder a crear un Creat
Basic Work Planes, ya que si se intenta crear un nuevo plano y extruir un nuevo
circulo esta extrusión se generara con cuerda ya que Mechanical lo considera
15
como una extensión de la cuerda, es por esto que se debe hacer por medio de
Creat Basic Work Planes.
• Antes de hacer un Creat Basic Work Planes se debe crear un
Work Point, esto permitirá que el plano de trabajo básico
coincida en ese punto y evitar, que quede no concéntrico con
nuestra dibujo base.
• En la barra de Part Modeling se da clic en el icono Work
Features-Work Plane esto desplegara cuatro iconos de los
cuales solo se seleccionara el cuarto icono que es Creat Basic
Work Planes después de haber hecho la barra de comandos nos
solícita un origen y colocándose con el Mouse sobre el Work
Point se da Enter y listo.
• A continuación se selecciona uno de los planos perpendicular al
plano eje XZ, para proceder a crear una geometría aleatoria de
manera tal que al final permita hacerlo un solidó de revolución.
16
• A continuación se selecciona un plano perpendicular al plano XZ,
se procede a crear un círculo con dimensiones de 10.17mm. con
el procedimiento parecido al que ya fue explicado anteriormente.
• Ya hecho esto se hacen los pasos siguientes en la barra de Part
Modeling manteniendo presionado el botón izquierdo del Mouse
en el icono Sketched Features-Extrude se despliegan ocho
iconos, se selecciona el icono Extrude después de haber hecho
esto aparecerá una tabla donde se introducirá la siguiente
información:
• En el recuadro de Operation se selecciona Cut.
• Para Distance al momento de seleccionar Mid-Through
se bloquea.
• En Draft-Angle se mantiene en cero.
• Termination Type se selecciona Mid-Through, que es la
instrucción para cortar hacia ambos lados del solidó
• Se da OK.
• Y el Husillo queda terminado.
17
CAPITULO II. ANALISIS ESTRUCTURAL Y SIMULACION
18
2. ANÁLISIS NÚMERICO.
2.1.1. TENSIÓN-COMPRESIÓN.
Los conceptos fundamentales en mecánica de materiales son el esfuerzo y la
deformación unitaria. Esos conceptos pueden ilustrarse en su forma más
elemental considerando una barra prismática sometida a fuerzas axiales. Fuerza
axial es una carga dirigida a lo largo del eje del miembro que somete a este a
tensión o compresión. Como ejemplos podemos nombrar una armadura de
puente, las bielas en motores de automóviles, los rayos de las ruedas de
bicicletas, las columnas en edificios y los puntales de las alas de aeroplanos
pequeños.
La intensidad de la fuerza (fuerza por unidad unitaria) se llama esfuerzo y se
denota por la letra griega σ (sigma). Entonces:
AP=σ Ecc. 1
Cuando la barra es estirada por la fuerza P, los esfuerzos son esfuerzos de
tensión, si las fuerzas son invertidas en sentido, ocasionando que la barra quede
comprimida, obtenemos esfuerzos de compresión. Si la carga esta distribuida
unifórmenle sobre el extremo, entonces el patrón de esfuerzos será el mismo en
otras partes; pero es más probable que la carga sea transmitida por medio de un
perno o un pasador, con lo cual se generan esfuerzos altamente localizados,
llamados concentración de esfuerzos.
2.1.2. DEFORMACIÓN UNITARIA NORMAL.
El alargamiento es el resultado acumulativo del alargamiento de todos los
elementos del material en todo el volumen de la barra. Si se supone que el
material es el mismo en toda la barra. Entonces la mitad de la barra, tendrá un
19
alargamiento de δ/2 y tomando un cuarto de barra, este tendrá un alargamiento de
δ/4. De manera similar una longitud unitaria de barra tendrá un alargamiento de
1/L veces el alargamiento total δ. Por medio de este proceso llegamos al concepto
de alargamiento por unidad de longitud, o deformación unitaria, denotada por la
letra griega ε (ypsilón), dada por la ecuación:
Lδε = Ecc. 2
Si la barra se encuentra a tensión, la deformación unitaria se llama
deformación unitaria a tensión, que representa un alargamiento o estiramiento del
material. Si la barra esta a compresión, la deformación unitaria es una
deformación unitaria a compresión y la barra se acorta.
2.1.3. TORSIÓN
La torsión se refiere al torcimiento de una barra recta al ser cargada por
momentos (o pares de torsión) que tienden a producir una rotación alrededor del
eje longitudinal de la barra; por ejemplo, al girar un destornillador la mano aplica
un par de torsión T a la manija y tuerce el vástago del destornillador. Otros
ejemplos de barra de torsión son los ejes de impulsión, eje de transmisión, ejes de
hélices, barras de dirección y taladros.
Cada par de fuerzas forman un par que tienden a torcer la barra con respecto a
su eje longitudinal. Como sabemos de la estática, el momento de un par es igual al
producto de una de las fuerzas y la distancia perpendicular entre las líneas de
acción de las fuerzas. Las unidades inglesas para el momento son la libra-pie (lb-
ft) y la libra -pulgada (lb-in), la unidad SI es el newton-metro (N-m).
Por conveniencia solemos representar el momento de un par por un vector en
forma de una flecha de cabeza doble. La flecha es perpendicular al plano que
contiene el par y, por lo tanto, en este caso, ambas flechas son paralelas al eje de
la barra. El sentido del momento se indica con la regla de la mano derecha para
20
los vectores de momentos: esto es, si los dedos de la mano derecha se arquean
en el sentido del momento, el pulgar señalara en el sentido del vector. Una
representación alternativa de un momento es una flecha que actúa en el sentido
de la rotación.
Los momentos que producen torcimiento en una barra se denominan pares o
momentos de torsión. Los miembros cilíndricos que transmiten potencia por medio
de rotación se denominan ejes. La mayor parte de los ejes tienen secciones
circulares, sólidas o tubulares.
Las magnitudes de los esfuerzos cortantes pueden determinarse a partir de la
relación esfuerzo-deformación unitario para el material de la barra. Si el material
es elástico lineal, podemos utilizar la ley de Hooke en cortante:
Gτ γ= Ecc. 1
En donde G es el módulo de elasticidad cortante y γ es la deformación unitaria
cortante en radianes. Al combinar esta ecuación con las ecuaciones para las
deformaciones unitarias cortantes, obtenemos:
máx máxGr Grστ θ τ σθ τ= = = Ecc. 2
En donde máxτ es el esfuerzo cortante en la superficie exterior de la barra (radio
r), τ es el esfuerzo cortante en un punto interior (radio σ ) y θ es el ángulo de
torsión por unidad de longitud en radianes. Estas ecuaciones muestran que los
esfuerzos cortantes varían linealmente con la distancia desde el centro de la barra.
Los esfuerzos cortantes que actúan sobre una sección transversal plana van
acompañados de esfuerzos cortantes de la misma magnitud que actúan sobre
planos longitudinales. Esto se infiere del hecho de que siempre existen esfuerzos
cortantes iguales sobre los planos mutuamente perpendiculares. Si el material de
21
la barra es más débil en cortante sobre planos longitudinales que sobre planos
transversales, como es típico en la madera cuando el grano corre paralelo al eje
de la barra, la primera grieta por torsión aparecerá en dirección longitudinal sobre
la superficie.
2.1.4. LA FÓRMULA DE LA TORSIÓN.
El siguiente paso en el análisis es determinar la relación entre los esfuerzos
cortantes y el par de torsión T. Una vez logrado esto, podremos calcular los
esfuerzos y deformaciones unitarias en una barra debido a la aplicación de
cualquier conjunto de pares de torsión.
2máxdM dA dAr
ττσ σ= = Ecc. 3
El momento resultante (igual al par T) es la suma sobre toda el área de la
sección transversal de todos los momentos elementales:
2máx máxpA A
T dM dA Ir r
τ τσ= = =∫ ∫ Ecc. 4
En donde
2
p AI dAσ= ∫ Ecc. 5
es el momento polar de inercia de la sección transversal circular. Para un
círculo de radio r y diámetro d, el momento polar de inercia es
4 4
2 32pr dI π π= = Ecc. 6
Puede obtenerse una expresión para el esfuerzo cortante:
22
máxp
TrI
τ = Ecc. 7
Esta ecuación, conocida como la fórmula de la torsión, muestra que el esfuerzo
cortante es proporcional al par aplicado T e inversamente proporcional al momento
polar de inercia Ip.
Las unidades usadas con la fórmula de la torsión son las siguientes. En el
sistema SI, el par T suele expresarse en newton metros (N·m), el radio r en metros
(m), el momento polar de inercia en metros a la cuarta potencia (m4) y el esfuerzo
cortante τ en pascales (Pa). En unidades inglesas T se suele expresar en libras-
pies (lb-ft), o en libra-pulgada (lb-in), r en pulgadas (in), Ip en pulgadas a la cuarta
potencia (in4) y τ en libras por pulgada cuadrada (psi).
Al sustituir / 2r d= e 4 / 32pI dπ= en la fórmula de la torsión, obtenemos la
siguiente ecuación para el esfuerzo máximo:
316
máxT
dτ
π= Ecc. 8
El esfuerzo cortante a una distancia σ del centro de la barra es
máxp
Tr Iσ στ τ= = Ecc. 9
2.1.5. ÁNGULO DE TORSIÓN POR UNIDAD DE
LONGITUD.
El ángulo de torsión por unidad de longitud de una barra de material elástico
lineal puede ahora relacionarse ahora con el par de torsión T aplicado. La
combinación de la fórmula de torsión da
23
p
TGI
θ = Ecc. 10
Que muestra que el ángulo de torsión por unidad de longitud θ es
directamente proporcional al par T e inversamente proporcional al producto
pGI conocido como rigidez torsional de la barra. Para una barra en torsión pura, el
ángulo total de torsión φ , que es igual al ángulo de torsión por unidad de longitud
multiplicado por la longitud de la barra (es decir Lφ θ= ), es
p
TLGI
φ = Ecc. 11
en donde φse mide en radianes.
La cantidad /pGI L , llamada rigidez torsional unitaria de la barra, es el par
requerido para producir una rotación de un ángulo unitario. La flexibilidad torsional
unitaria es el recíproco de la rigidez torsional unitaria, o / pL GI , y se define como el
ángulo de rotación producido por un par unitario. Tenemos entonces las siguientes
expresiones:
pt t
p
GI Lk fL GI
= = Ecc. 12
Esas cantidades son análogas a la rigidez axial /k EA L= y la flexibilidad axial
/f L EA= de una barra a tensión o compresión. Las rigideces y las flexibilidades
son importantes en el análisis estructural, en especial cuando la estructura es
grande y complicada y para su análisis se usan métodos asistidos por
computadoras.
24
2.1.6. COLUMNAS.
a) CARGA DE PANDEO DE EULER PARA COLUMNAS CON
EXTREMOS ARTICULADOS.
A fin de formular las ecuaciones diferenciales que permitan determinar la carga
de pandeo de una columna ideal, se debe permitir que ocurra un pequeño
desplazamiento lateral del eje de la columna. Para la columna con extremos
articulados e inicialmente recta de la Figura 1 a, lo anterior se indica en la Figura 1
b.
Figura 1 Comportamiento de una barra idealmente elástica
Para el caso de la columna ligeramente flexionada de la Figura 1 a, el
momento flector M en una sección cualquiera es −Pv (x), que si se sustituye en la
ecuación diferencial de la elástica da por resultado
2
2
d v M P vdx EI EI
−= = Ecc. 1
25
Entonces, como se hiciera en la ecuación (1), tomando 2 /P EIα = , tenemos
2
22 0d v v
dxα+ = Ecc. 2
Es fácil ver que esta ecuación es la parte homogénea de la ecuación (1) para
una viga columna con extremos articulados. Su solución es
V = C1sen (αx) + C2 cos (αx) Ecc. 3
donde las constantes arbitrarias C1 y C2 se deben determinar a partir de las
condiciones de contorno, que son
v(0)=0 y v(L)=0
En consecuencia
v(0)=0= C1sen(0) + C2 cos (0)
es decir C2=0, y
v(L)=0=C1sen(L)
La ecuación (1) se puede satisfacer tomando C1=0. Como esto corresponde a
la condición sin pandeo, esta solución es trivial. Alternativamente la ecuación (1)
también se satisface si
PL L nEI
α π= = Ecc. 4
26
Figura 2 Columna con extremos articulados y sus tres primeros modos de pandeo.
Donde n es un entero. En esta ecuación los valores característicos o
autovalores para tal ecuación diferencial, que hacen posible una forma de pandeo,
requieren que:
2 2
2nn EIP
Lπ= Ecc. 5
Se supondrá en este caso que n puede ser cualquier número entero. Sin
embargo, puesto que el interés se centra en el valor mínimo con que puede ocurrir
el pandeo, n se debe tomar igual a la unidad. Por lo tanto, la carga crítica (o carga
de pandeo de Euler) para una columna articulada en ambos extremos es:
2
2CEIP
Lπ= Ecc.6
Donde I debe ser el momento de inercia mínimo del área transversal de la
columna y L la longitud de la misma. Este caso de una columna articulada en
ambos extremos con frecuencia se lo denomina el caso fundamental.
27
b) PANDEO ELÁSTICO DE COLUMNAS CON DIFERENTES
RESTRICCIONES EN SUS EXTREMOS.
Procedimientos iguales a los estudiados en la sección anterior se pueden
utilizar para determinarlas cargas de pandeo elástico de columnas con diferentes
condiciones de borde. Las soluciones de tales problemas son muy sensibles a las
restricciones de extremo. Por ejemplo la carga crítica de pandeo para una
columna empotrada en su base Figura 2 b, con una carga vertical en su extremo
libre superior, es
2
2(2 )CEIPL
π= Ecc. 7
En este caso extremo la carga crítica es sólo 1/4 de la correspondiente al caso
fundamental, ecuación (6).
Para una columna empotrada en un extremo y articulada en el otro, Figura 2 c:
2
22.05CEIP
Lπ= Ecc.8
En tanto que para una columna empotrada en ambos extremos, Figura 2 d:
2
24CEIP
Lπ= Ecc. 9
Las dos últimas ecuaciones indican que mediante la restricción en los extremos
las cargas de pandeo críticas van aumentando notablemente por encima del caso
fundamental.
Todas las fórmulas anteriores pueden semejarse al caso fundamental siempre
que, en vez de la longitud real de la columna se utilice la longitud efectiva de la
28
misma. Esta longitud resulta ser la distancia entre los puntos de inflexión de las
curvas elásticas o las articulaciones, si las hay. La longitud efectiva de una
columna, Le, en el caso fundamental es igual a L, pero en los casos anteriores es
2L, 0,7L y 0,5L, respectivamente. Para el caso general, Le=KL, donde K es el
factor de longitud efectiva, el cual depende de las restricciones en los extremos.
Figura 3 Longitud efectiva de columnas con diferentes restricciones
Las ecuaciones anteriores llegan a ser completamente erróneas para el
intervalo inelástico y no se deben utilizar en la forma.
c) LIMITACIÓN DE LAS FORMULAS DE PANDEO ELÁSTICO
En las deducciones anteriores de las fórmulas de pandeo para columnas se
supuso tácitamente que el material se comportaba de manera linealmente elástica.
Por definición, I =Ar2, donde A es el área de la sección transversal y r es su radio
de giro. La substitución de esta relación en la ecuación (6) da:
2 2 2
2 2CEI EArP
L Lπ π= = Ecc. 10
o bien
29
2
2( / )C
CP EA L r
πσ = = Ecc.11
donde la tensión crítica, σC, para una columna se define como un promedio en
el área transversal A de la misma, debido a la carga crítica PC. La longitud (la
utilización de la longitud efectiva Le hace general a esta expresión) de la columna
es L y r el radio de giro mínimo del área de la sección, puesto que la fórmula
original de Euler se da en términos del valor mínimo de I. La relación L/r de la
longitud de la columna al radio de giro mínimo de un área transversal se llama
relación de esbeltez (λ) de la columna.
Se puede concluir el límite de proporcionalidad del material es el límite superior
de la tensión con la cual la columna pandeará elásticamente.
d) FORMULAS GENERALIZADAS DE LA CARGA DE PANDEO DE
EULER
Un diagrama típico tensión-deformación a la compresión para una probeta en
la que se impide el pandeo se puede representar como en la Figura 4.a. En el
intervalo de tensiones desde O hasta A el material se comporta elásticamente. Si
la tensión en una columna en pandeo no excede de este intervalo la columna
pandeará elásticamente. La hipérbola correspondiente a la ecuación, σC =
π2E/(L/r)2, es aplicable en este caso. Esta porción de la curva se indica como ST
en la Figura 4.b. Es importante reconocer que esta curva no representa el
comportamiento de una columna sino más bien el de un número infinito de
columnas ideales de diferente longitud. La hipérbola que corresponde a la región
situada más allá del intervalo útil se indica en la figura por medio de una línea
punteada. Una columna con una relación L/r correspondiente al punto S de la
Figura 4.b será la columna de más corta longitud hecha de material y tamaño
dados, que se pandeará elásticamente.
30
Una columna más corta, con una relación L/r aún menor, no se pandeará en el
límite de proporcionalidad del material. En el diagrama tensión-deformación,
Figura 4.a, esto significa que el nivel de tensiones en la columna ha pasado del
punto A y alcanzado quizá un cierto punto B. A este nivel de tensiones más alto se
puede decir, en efecto, se ha creado una columna de material diferente puesto
que la rigidez del mismo ya no está representada por el módulo de elasticidad. En
este punto, la rigidez del material está dada por la tangente a la gráfica tensión-
deformación, es decir, por el módulo elástico tangente (o instantáneo), Et. La
columna permanecerá estable si su nueva rigidez a la flexión EtI en B es
suficientemente grande y podrá soportar una carga mayor. A medida que la carga
aumenta, el nivel de tensiones se eleva también, en tanto que el módulo referido a
la tangente disminuye. Una columna de “material aún menos rígido” actúa bajo
una carga creciente. La sustitución del módulo elástico tangente, Et, en vez del
módulo elástico inicial, E, es entonces la única modificación
Figura 4 (a) Diagrama tensión-deformación de compresión (b) Gráfica de la tensión crítica en
columnas en función de la relación de esbeltez.
necesaria para obtener las fórmulas de pandeo elástico aplicables en el intervalo
inelástico.
En consecuencia, la fórmula generalizada de Euler, o bien la fórmula del
módulo referido a la tangente será
31
2
2( / )t
CE
L rπσ = Ecc. 12
Los esfuerzos correspondientes a los módulos referidos a la tangente Et se
pueden obtener a partir del diagrama tensión-deformación a la compresión.
Las columnas que se pandean elásticamente se denominan a veces columnas
largas. Las columnas con bajas relaciones L/r no presentan esencialmente
fenómenos de pandeo y reciben el nombre de columnas cortas. Con bajos valores
de L/r, los materiales dúctiles “se aplastan” y pueden soportar cargas muy
grandes.
Si la longitud L de la ecuación (11) se considera como la longitud efectiva de
una columna, se pueden analizar diferentes condiciones de extremo. De acuerdo
con este procedimiento en la Figura 5 se grafica para fines de comparación, la
tensión crítica σC en función de la relación de esbeltez para columnas de extremos
empotrados y articulados. Es importante notar que la capacidad de carga en los
dos casos está en la relación 4 a 1 sólo para columnas que tengan la relación de
esbeltez (L/r)1 o mayor. Para valores de L/r menores se obtienen progresivamente
menos ventajas por la restricción al giro en los extremos. Con bajas relaciones L/r,
las gráficas se confunden. Hay poca diferencia si un “bloque corte” está articulado
o empotrado en sus extremos, ya que entonces la resistencia determina su
comportamiento y no el pandeo.
Figura 5 Comparación del comportamiento de columnas con diferentes condiciones de
extremo
32
Para comenzar con el análisis numérico, empezaremos con el desarrollo de
la teoría en la que esta basado nuestra pieza. Para el análisis de la pieza
identificaremos cada uno de los siguientes elementos que a continuación se
describen:
2.1.7. ANÁLISIS DEL HUSILLO O TORNILLO.
1. Tornillo. Este miembro esta trabajando a torsión pura, debido a que no
presenta esfuerzos combinados en su estructura, es decir; no hay
flexión, además su relación de espesor-longitud no es muy grande, por
eso se debe considerar solo la torsión. Como lo indican los siguientes
datos:
Datos requeridos para el cálculo:
E=70E9 Pa. ν=0.033 σy=270E6 Pa. σu=310E6 Pa.
• .56kgF =
FF
Ld
33
• 2..81.9
segmg =
• La fuerza será entonces: ..gmF = • )./.81.9*.56( 2segmKgF = • .36.549 NF =
Una vez obtenidos estos valores se procede al cálculo del Par o Momento de
Torsión:
• dFT *= • .)0127.0*36.549( mNT = • ..0098336.7 mNT =
Para obtener el cálculo del modulo de Elasticidad Cortante:
•
+
=)1(*2 ν
EG
•
+
=)33.01(*2
.970 PaEG
• .9315789947.26 PaEG =
Cálculo del Momento Polar de Inercia:
• 32* 4dI π=
• 32
)01276.0(* 4mI π=
• 49602571034.2 mEI −=
Entonces el Esfuerzo Máximo Cortante a la Torsión es:
• 3.max **16dT
πτ =
• 3.max )01276.0(*.).0098336.7(*16
mmN
πτ =
34
• 2.max 61840606.17mNE=τ
El Ángulo de Torsión por Unidad de Longitud es:
• pGIT=θ
• )9602571034.2(*.931578947.26
..0098336.74−−
=mEPaE
mNθ
• ..102350204.0
mrad=θ
El Ángulo Total de Torsión es:
• L*θφ =
• )14654.0(*.102350204.0 mmrad=φ
• .014998398.0 rad=φ
A continuación se calcula la Deformación Unitaria Cortante:
• G
.maxτγ =
• .931578947.26
.6184060.17PaEPaE=γ
• .529943029.6 4radE −=γ
Como el elemento esta en cortante puro, se analiza de la siguiente manera:
Determinación de esfuerzos máximos en tensión y compresión:
Para la Tensión se tiene:
• τσ =.max
35
• 2.max 61840606.17mNE=σ
Para la Compresión se tiene:
• τσ −=.max
• 2.max 61840606.17mNE−=σ
Estos esfuerzos actúan sobre planos a 45º respecto al eje del elemento
mostrado a continuación:
Con esto valores se sabe que:
• AF=σ ; este es el esfuerzo normal que se esta ejerciendo en la
barra con el Torque.
• 4* 2dA π= ; esta es el área del la barra.
Al igualar estas formulas, se despeja F de la ecuación:
17.1840606E6 Pa.
τmax= 17.1840606E6
Pa.
σt= 17.06060E6 Pa.
45º
Y
X
Y
X
σc= 17.06060E6 Pa.
36
• 4
* 2σπ=F
• 4
)01276.0(*.)61840606.17(* 22 m
mNE
Fπ
=
• NF 44.2197=
De aquí se obtiene la fuerza Axial que esta actuando para empujar la mordaza
deslizante, a continuación esta permitirá hacer el siguiente análisis.
2.1.8. ANÁLISIS DE LA MORDAZA DESLIZANTE Y LA
PLACA DE LA MORDAZA.
La barra esta ejerciendo presión sobre el área de contacto de la barra con la
mordaza deslizante, por lo que se calcula la presión sobre esta área de la
siguiente manera:
• AFP =
•
4)01276.0(*
44.21972m
NPπ
=
• .606002.171840 PaP =
F
F
l b
P a
37
Este valor es la presión que esta ejerciendo la superficie del tornillo sobre la
superficie de contacto de la mordaza deslizante.
A la vez la misma fuerza esta comprimiendo la mordaza deslizante, por lo que
ahora se calcula el Esfuerzo sobre la placa de la Mordaza Deslizante:
• alA *= • mmA 03532.0*0663.0= • 23341716.2 mEA −=
Por lo tanto el Esfuerzo sobre la placa es:
• AF=σ
• 26341716.244.97.2
mEN−=σ
• 269383887713.0mNE=σ
La Deformación Unitaria es:
• Eσε =
•
29
26
70
9383887713.0
mNE
mNE −
=ε
• 5340555388.1 −= Eε
Para conocer el Cambio de Longitud en la mordaza se utilizara la distancia b
que es la parte robusta de la mordaza desde la fuerza hasta el fin de la placa:
.amordazaespesordelaplacaespesordelb +=
• b*εδ = • mE 01349125.0*340555388.1 5−=δ • mE 7808576788.1 −=δ
38
Con estos valores encontrados se puede continuar con el análisis de los
tornillos que soportan la placa de la mordaza deslizante.
2.1.9. ANÁLISIS DE LOS TORNILLOS QUE SOPORTAN
LA PLACA DE LA MORDAZA.
Para este análisis lo primero que se tiene que saber es que estos tornillos
están trabajando a compresión, ya que la presión que se ejerciendo sobre el
elemento es compresión, ya que al final del agujero donde se alojan no permite
que estos tornillos tengan un desplazamiento, ni que tengan rotación sobre su
propio eje transversal, por lo que se analizaran como una columna doblemente
empotrada.
Primero se registran los datos del tornillo:
d= 0.00396875 m. l= 0.014285 m.
Después se calcula el momento de Inercia de la sección transversal del
tornillo.
F
l b
a
39
• 64* 4dI π=
• 64
)00396875.0(* 4mI π=
• 411342117824955.1 mEI −=
Para el área de la sección transversal se tiene:
• 4* 2dA π=
• 4
)00396875.0(* 2mA π=
• 2592370788063.1 mEA −=
El calculo del radio de giro:
• AIr =
• 25
411
92370788063.142178249553.1
mEmEr −
−
=
• mEr 419218750000.9 −=
Este valor no tiene ningún significado físico obvio, pero se considera como la
distancia (desde el eje de referencia), en la que toda el área se concentra y da el
mismo momento de inercia que el área original.
Continuando con los cálculos para obtener la relación de esbeltez:
• rlRE =
• m001E9.92187500
0.014285m4-=RE
• 8.12=RE
40
Esta relación de esbeltez, indica que es una columna corta y con ayuda de las
formulas para aluminio 6061-T6 del libro “Mecánica de Materiales” Gere-
Timoshenko página 780 se tiene lo siguiente:
665.9 ≤≤rl
Ksirl
perm
−= 126.02.20.σ
Como la relación de esbeltez es de 12.8, se sustituye y se obtiene el esfuerzo
permisible:
• )8.12(126.02.20. −=permσ • Ksiperm 5872.18. =σ
Utilizando un factor de conversión para obtener N/m2 se tiene:
2689476.61mNEKsi =
• 26
. 154283072.128mNEperm =σ
Ahora sustituyendo se procede a obtener con este valor carga permisible:
• AP permperm *σ=
• 252
6 92370788063.1*154283072.128 mEmNEPperm
−=
• NPperm 947536.158536=
Como se utiliza una columna empotrada-empotrada.
La carga crítica para una columna ideal con longitud efectiva se calcula de la
siguiente forma:
41
• 2
2
.***4
lIEPcrit
π=
• 2
4112
2
. 014285.0
42178249553.1*970**4 mEmNE
Pcrit
−
=π
• NPcrit 353318.164923. =
Con esta carga crítica y conociendo el área de la sección transversal se calcula
el esfuerzo crítico:
• APcrit
crit =.σ
Al sustituir los valores de la carga crítica para una columna doblemente
empotrada en la formula se tiene:
• 2
2
.**4
=
rl
Ecrit
πσ
• ( )2
292
. 8.12
70**4mNE
crit
πσ =
• 29
. 866997089.16mNEcrit =σ
Para obtener la carga de cedencia:
• AP yy *σ=
• 252
9 92370788063.1*270 mEmNEPy
−=
• NPy 205364.213433=
El factor de seguridad para las cargas se obtiene de:
42
• perm
y
PP
n =
• NNn
947536.158536433205364.213433=
• 34626.1=n ; factor de seguridad para la carga permisible.
Esto quiere decir que, esta dentro del limite elástico, ya que no sobrepasa el
limite de fluencia.
Ahora:
• .crit
y
PP
n =
• NNn
353318.164923433205364.213433=
• 29413.1=n ; factor de seguridad para la carga crítica.
Esto quiere decir que la carga crítica igual que la carga permisible se encuentra
dentro del límite elástico, así que no sufren deformaciones permanentes los
tornillos.
Después de este proceso se lleva a la máquina CNC CINCINNATI 5000 que es
donde se realizará primero la parte superior de la Mordaza deslizante, después se
realizará el diente inferior.
2.2. SIMULACIÓN EN ANSYS.
Una vez hechos los dibujos en Mechanical Desktop, se deberán exportar a
Ansys v10, por medio de Workbench v10 de manera tal, que se pueda realizar la
simulación y el análisis de esfuerzos y deformaciones de la prensa.
Para el análisis estructural y simulación en Ansys V. 10 se siguió el
procedimiento que a continuación se describe:
43
Todos los análisis se realizaron con los valores siguientes:
• Tipo de elemento: brick 8 Nodes 45.
• E= 70x109
• ν= 0.33
La deformación máxima obtenida es la siguiente, no siendo así para los nodos
donde se simula se pegaron los extensómetros:
Los esfuerzos que se obtienen en la base son los siguientes:
44
En el siguiente listado se dan los resultados de los nodos donde se van a
colocar los extensómetros.
Aquí se puede observar que los resultados son parecidos a los obtenidos en
los cálculos.
45
Continuando con la solución de la mordaza deslizante, se presentan los
resultados obtenidos.
Para la deformación se tiene lo siguiente:
Los esfuerzos en la mordaza que se notan aquí, es lo que se llama
concentración de esfuerzos o los esfuerzos máximos y mínimos:
46
En esta tabla se observan los nodos de la parte superior donde se debe colocar la
galga:
Se muestra además, los resultados en los nodos cercanos al área donde se
debe colocar la galga, deben ser aproximados con los resultados experimentales.
47
Por ultimo se realiza el análisis del Husillo o Tornillo y haciendo la simulación
de la deformación:
48
En este grafico se observan como los esfuerzos provocan lo que se llama
torcimiento:
La lista de resultados es la siguiente, en los nodos que se observan a
continuación deben colocarse las galgas, para hacer la comparación de
resultados, ya que ahí es donde se concentran los esfuerzos.
49
De acuerdo a la siguiente tabla de resultados se observa que los esfuerzos en los
nodos son aproximados a los calculados.
2.3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL.
NOTA IMPÒRTANTE:
Este paso debió hacerse después de la manufactura de los elementos, sin
embargo se coloco en esta sección, debido a la continuidad que debe existir entre
el análisis estructural y la simulación.
Para el análisis experimental se va a utilizar el método de campo llamado
extensometría eléctrica. El cual consiste en lo siguiente:
50
El principio fue enunciado en 1856 por Lord William Thomson Kelvin, no fue
sino hasta 1938 en que Simmons y Ruge en USA, emplearon lo que podemos
considerar hoy como un extensómetro eléctrico.
La extensometría eléctrica es una técnica de medida de deformaciones que
utiliza un sensor llamado galga extensométrica.
Una galga extensométrica consiste en una fina película metálica en forma de
hilo plegado depositada sobre una lámina de plástico aislante de algunas micras
de espesor.
Cuando la galga se pega sobre la superficie de una pieza, si se aplican cargas
y la pieza se deforma, la galga también lo hace. Así el hilo metálico experimenta
un alargamiento o acortamiento que modifica su resistencia eléctrica. La variación
de resistencia se puede evaluar con precisión en un equipo de medida, y es
proporcional a la deformación de la galga según la dirección en la que esta
situada: nKRR ε*=∆
51
En donde R y ε son la resistencia eléctrica y la longitud como antes se dijo y K
es el factor de proporcionalidad o factor del extensómetro (Gage Factor). [Imagina un sistema de ejes cartesianos en los que el eje de las X representa
∆L/L=ε y el de las Y ∆R/R; entonces K es la pendiente de la gráfica que da esa
relación.
Por lo tanto una galga puede medir la deformación longitudinal unitaria εn en el
punto en que se encuentra situada y según la dirección ū(α, β, γ) en la que está
orientada:
52
Un extensómetro de resistencia eléctrica es un dispositivo para medir
deformaciones unitarias normales sobre la superficie de un objeto sometido a
esfuerzos. Tales extensómetros son tan pequeños que sus longitudes varían entre
un octavo y media pulgada. Se adhieren firmemente a la superficie del objeto, de
manera que cambian de longitud en proporción a las deformaciones unitarias del
objeto. Cada extensómetro consiste en una fina retícula metálica que se alarga o
se acorta cuando el objeto se deforma en el punto donde esta adherido. La
retícula equivale a un alambre continuo que va y viene de un extremo de la
retícula a otro, con lo cual se incrementa su longitud. La resistencia del alambre se
altera cuando se alarga o se acorta; luego este cambio en la resistencia se
convierte en la medición de la deformación unitaria. Los extensómetros son
sumamente sensibles y pueden medir deformaciones unitarias del 1x10-6.
Un grupo de tres extensómetros dispuestos según un patrón particular se llama
roseta de deformaciones. Puesto que la roseta está montada sobre la superficie
del cuerpo, donde el material se encuentra en esfuerzo plano, podemos utilizar las
ecuaciones de transformación para deformación unitaria plana a fin de calcular las
deformaciones en varias direcciones.
Para poder realizar las mediciones utilizaremos el puente de Wheatstone. La
cual consiste en un arreglo de cuatro resistencias eléctricas R1, R2, R3 y R4 las
cuales son alimentadas por la batería F en los puntos A y B; entre los puntos C y
D se coloca un galvanómetro que nos permitir medir la intensidad y dirección de
la corriente eléctrica que circule entre los puntos C y D cuando exista una
diferencia de potencial entre ellos; este dispositivo recibe el nombre de puente de
Wheatstone.
Puente de Wheatstone.
53
En las siguientes figuras se puede apreciar unos ejemplos de arreglos de
extensómetros.
En la figura se muestra un circuito de puente completo, en él, las cuatro
resistencias son activas lo que, como en el caso de la viga, puede ayudarnos a
obtener mayor precisión en nuestras lecturas (esta configuración es la que se
emplea en transductores de precisión).
En la figura tenemos la instrumentación de un dispositivo para medir torsión;
se trata de un elemento en el que las cuatro resistencias son activas, nota
que la deformación que podría producir una carga axial, de flexión o térmica son
anuladas debido a que ε1 y ε2 (así como ε3 y ε4), se encuentran en ramas del
puente con sentidos contrarios; lo que produce la anulación de sus efectos.
Viga en voladizo instrumentada a puente completo.
54
Barra torsionante instrumentada a puente completo.
Para realizar el pegado de las galgas se realizo lo siguiente:
2.3.1. PREPARACIÓN DE SUPERFICIES.
Los extensómetros pueden ser satisfactoriamente pegados en casi cualquier
superficie sólida, si ésta es adecuadamente preparada. Aunque existen varias
técnicas disponibles para la preparación de superficies, las técnicas y
procedimientos que describiremos a continuación, han sido cuidadosamente
desarrolladas y extensamente probadas; (según indica el manual, son ideales
tanto para pegamentos M-Bond 200 como M-Bond AE-10 fabricados por la
misma compañía).
El propósito de la preparación es desarrollar una superficie químicamente
limpia, con una rugosidad superficial adecuada y una alcalinidad de un ph neutro,
y un trazado visible de líneas de referencia para la orientación del
extensómetro.
55
2.3.2. MATERIAL.
Prensa De Aluminio. Alcohol Isopropílico Neutralizador Acondicionador Diurex Desengrasante Vidrio Tabla De Propiedades. Kit De Pegado M Bond 200 (Catalizador Y Pegamento) Maskin Tape M-Coat. Rosin Solvent. Cottonetes. Cinta De Aluminio. Gasas (Para Limpiar). Cable Estañado Trifilar. Extensómetros Terminales. Tijeras. Pinzas De Punta Pinzas Pela Cable Cautín De Temperatura Regulable. Pasta. Soldadura. Multimetro (Galga Su Resistencia Debe Ser De 120 Ω ± 0.3 %). Pie De Rey. Teflón. Una Regla Graduada En cms. Un Trozo De Teflón. Lápiz 4h. Torquímetro. Lija De Agua 480. Extensómetro. Lija Del Numero 200 Para Lijar Con Liquido. Hojas Blancas De Papel Bond. Jabón De Baño. Flexometro
El sistema Micro Measurements de preparación de superficie de aluminio y acero, se reduce a cinco operaciones básicas, las cuales desarrollaremos:
56
• Desengrasado
• Lijado de superficie con Acondicionador
• Trazado de ejes de referencia
57
• Neutralizado
Se observa como debe ser soldar el cable trifilar con la galga.
Después de haber realizado la prueba con el extensómetro se hace la
comparación con la simulación obteniéndose lo siguiente:
58
Del análisis experimental se obtuvieron los siguientes valores.
Prensa Tornillo
Torque Carga Aplicada. 1 2 3 1 2 3Lb*Ft N*m N Micro deformaciones
10 13.65504 1070.144201 -140 -498 24 -31 -244 -12112 16.386048 1284.173041 -149 -563 33 -25 -294 -14614 19.117056 1498.201881 -175 -685 86 -12 -280 -22216 21.848064 1712.230721 -183 -760 64 -5 -380 -26518 24.579072 1926.259561 -198 -850 75 13 -415 -30020 27.31008 2140.288401 -200 -1035 60 28 -512 -42522 30.041088 2354.317241 -201 -1062 65 36 -427 -32224 32.772096 2568.346082 -213 -1206 60 48 -452 -37026 35.503104 2782.374922 -204 -1266 51 68 -495 -41628 38.234112 2996.403762 -219 -1428 37 50 -600 -39830 40.96512 3210.432602 -226 -1480 46 98 -853 -60232 43.696128 3424.461442 -237 -1554 51 151 -1020 72934 46.427136 3638.490282 -243 -1580 27 305 -1105 -91836 49.158144 3852.519122 -230 -1570 16 126 -760 -53038 51.5185152 4037.501191 -255 -1574 14 97 -641 -353
59
Para trabajar con unidades del sistema internacional se procede a calcular los
esfuerzos haciendo la conversión correspondiente a unidades métricas,
obteniendo los siguientes resultados:
Husillo o Tornillo Base 1 Mordaza Desl. Base 3
Esfuerzo Cortante Defor. Uni. Cort.Esfuerzo NormalCarga Normal Esfuerzo 1 Esfuerzo 2 Esfuerzo 3
τmax.= γ= σ=τmax. F= N/m2 N/m2 N/m2
N/m2 N/m2 N
33474266,05 0,001287472 33474266,05 4280,576803 3209222,725 5273507,785 8197229,408
40169119,25 0,001544966 40169119,25 5136,692163 3851067,27 6328209,342 9836675,29
46863972,46 0,00180246 46863972,46 5992,807524 4492911,815 7382910,899 11476121,17
53558825,67 0,002059955 53558825,67 6848,922884 5134756,36 8437612,457 13115567,05
60253678,88 0,002317449 60253678,88 7705,038245 5776600,905 9492314,014 14755012,93
66948532,09 0,002574944 66948532,09 8561,153605 6418445,45 10547015,57 16394458,82
73643385,3 0,002832438 73643385,3 9417,268966 7060289,995 11601717,13 18033904,7
80338238,51 0,003089932 80338238,51 10273,38433 7702134,54 12656418,68 19673350,58
87033091,72 0,003347427 87033091,72 11129,49969 8343979,085 13711120,24 21312796,46
93727944,93 0,003604921 93727944,93 11985,61505 8985823,63 14765821,8 22952242,34
100422798,1 0,003862415 100422798,1 12841,73041 9627668,175 15820523,36 24591688,22
107117651,3 0,00411991 107117651,3 13697,84577 10269512,72 16875224,91 26231134,11
113812504,6 0,004377404 113812504,6 14553,96113 10911357,26 17929926,47 27870579,99
120507357,8 0,004634898 120507357,8 15410,07649 11553201,81 18984628,03 29510025,87
126293623,8 0,004857447 126293623,8 16150,00476 12107938,88 19896191,52 30926975,52
60
Esto se explica de la siguiente manera.
1. Los datos marcados en rosa indican los esfuerzos cortantes y normales por
cada carga aplicada al tornillo, estos valores fueron registrados del arreglo
de la roseta al extensómetro.
2. Así también, se calculo el esfuerzo que se produce en la parte superior de
la base, que es la parte donde se sujeta el objeto de trabajo.
3. Asimismo se obtienen los esfuerzos en la parte superior de la mordaza
deslizante.
4. Y finalmente en la parte superior de la base, que es donde se sujeta al
tornillo.
Los esfuerzos calculados, encerrados en amarillo de la tabla anterior son los
que se comparan con las listas de la simulación en Ansys, según sea el caso. Así
por ejemplo se puede mencionar que los esfuerzos calculados en la Base 1,
corresponden a los obtenidos en donde se colocó la galga 1 y se comparan con la
lista de resultados obtenidos de los nodos donde se coloco el extensómetro.
Una vez calculados los esfuerzos en la experimentación, se hace la
comparación con los datos obtenidos de la simulación de cada una de las piezas.
Se observa que los valores son aproximados en los nodos donde se colocaron
las galgas, lo que significa que los resultados están dentro de lo esperado y que
auque no pasa el control de calidad existe la forma de mejorarla con el tiempo.
61
CAPITULO III. MANUFACTURA DE LOS ELEMENTOS
62
3.1. TEORIA DE CONTROL NUMÉRICO.
El control numérico (CNC) puede definirse como un método de controlar con
precisión la operación de una máquina mediante una serie de instrucciones
codificadas, formadas por números, letras del alfabeto, símbolos que la unidad de
control de la maquina (MCU) (MCU) puede comprender estas instrucciones esto
se convierte en pulsos eléctricos de corriente que los motores y controles de la
maquina siguen para llevar acabo las operaciones de maquinado sobre una pieza
de trabajo.
Las maquinas de control numérico por computadora (CNC) minimizan el error
humano.
3.1.1. MAQUINAS DE CONTROL NUMERICO POR
COMPUTADORA (CNC).
El control numérico por computadora (CNC) ha traído cambios notables a la
industria de las maquinas herramientas.
Si el programa de la pieza se ha preparado apropiadamente, se puede
reproducir una misma pieza, con la misma exactitud cualquier cantidad de veces.
En muchos casos en todo el mundo, las maquinas herramienta de uso común
actual, operadas a mano están siendo reemplazadas por las maquinas de tipo
CNC operadas por computadora.
3.1.2. FUNCIONES DE LAS COMPUTADORAS.
La función de la computadora es recibir instrucciones codificadas (datos de
entrada) en forma numérica, procesar dicha información y producir datos de salida
que hagan que una maquina herramienta funcione.
63
3.1.3. RENDIMIENTO.
CNC ha tenido grandes progresos desde que se introdujo por primera vez la
NC a mediados de los años cincuentas como un medio de guiar de manara
automática de los movimientos de las máquinas herramienta sin ayuda humana.
Las primeras maquinas eran capaces solo de un posicionamiento de punto a
punto movimientos en línea recta eran maquinas muy costosas y requerían de
técnicos muy preparados y de matemáticos para producir los programas en cinta.
3.1.4. PRECISION.
Las maquinas herramientas CNC no hubieran sido aceptadas por la industria
de no ser capaces de efectuar maquinados con tolerancias muy estrechas.
Las maquinas herramienta están mejor fabricadas y los sistemas de control
electrónicos aseguran que se producirán las piezas con las tolerancias permitidas
por los planos de ingeniería.
3.1.5. CONFIABILIDAD
El rendimiento de las maquinas herramientas CNC y de sus sistemas de
control tienen que ser por lo menos tan confiable como los mecánicos
herramentistas y matriceros para que la industria acepte este concepto de
maquinado.
3.1.6. CAPACIDAD DE REPETICIÓN
La capacidad de repetición y la confiabilidad son muy difíciles de separar por
que muchas de las mismas variables afectan a ambas.
64
La capacidad de repetición de una maquina herramienta involucra la
comparación de cada una de las piezas producida en dicha maquina.
3.1.7. PRODUCTIVIDAD.
Ha sido la meta de la industria producir productos mejores a precios
competitivos o menores para alcanzar una porción más grande del mercado.
Estos factores son suficientes para justificar el uso se CNC y para automatizar
las plantas.
Proporcionan la oportunidad de producir bienes de mejor calidad más rápido y
a un costo menor.
CNC ha crecido con una velocidad cada vez más rápida y su uso seguirá
creciendo dadas las muchas ventajas que le ofrece a la industria algunas de las
ventajas de mayor importancia de CNC se mencionan continuación:
3.1.8. MAYOR SEGURIDAD DEL OPERADOR.
El operador esta menos expuesto a partes en movimiento o a la herramienta
de corte.
Mayor eficiencia de operador: una maquina CNC no requiere tanta atención
como una maquina convencional.
Reducción de desperdicio: en vista del alto grado de precisión de los sistemas CNC el desperdicio ha sido drásticamente abatido.
Tiempos de entrega más cortos para la producción. Reducción del error humano. Elevado grado de precisión. Operaciones complejas de maquinado Menores costos de herramental. Menor inventario de piezas. Necesidad den una menor inspección.
65
3.4. MÁQUINADO CON CNC.
Control Numérico Computarizado, Marca CINCINNATI Modelo 500, con las
siguientes características generales:
Es de nivel educativo.
• De 3 ejes. • Temperatura de operación de 0-55 º C. • Humedad 10% a 95% sin condensación. • Altitud de –305 metros a 3,048 metros en operación y de –305 metros a
9750metros. • Vibración en operación: 10 a 400 hz, 0.5 Gρ aceleración y 10.5 Gρ no
operando.
Para este proceso se recomienda que antes de encender la maquina se verifique
que el sistema neumático trabaje adecuadamente.
Que las presiones de trabajo estén dentro de los límites permitidos.
66
Las herramientas que utiliza CNC sean las establecidas por el fabricante.
67
Se fija el material en la base de la plancha de trabajo.
Se programa la maquina y se procede a trabajar el material
68
3.5. MAQUINADO DEL HUSILLO CON EL TORNO.
Torno, Marca CORMETAL, Modelo C404T de cuatro mordazas.
Un torno es un dispositivo en el cual se hace girar la pieza de trabajo contra
una herramienta cortante.
A medida que la herramienta cortante se mueve longitudinal y
transversalmente respecto al eje de la pieza de trabajo, se genera la forma de la
pieza de trabajo. El torno se utiliza para producir piezas redondas.
Las piezas de trabajo, sostenida por un dispositivo de sujeción montado en un
eje del torno, se hace girar contra la herramienta de corte lo que produce una
forma cilíndrica.
Algunas operaciones que se pueden realizar con un torno:
a. Torneado cilíndrico b. Ahusamiento c. Careado d. Torneado interior e. Barrenar f. Escarear g. Roscas
3.3.1. SEGURIDAD EN EL TORNO.
Deben desarrollarse hábitos de trabajo seguros con el empleo de dispositivos
de protección.
Una de las reglas principales es mantener las manos lejos de la pieza y herramienta de corte mientras este trabajando el torno.
Siempre quitar la llave del mandril inmediatamente después de utilizarla. Usar guantes para manejar rebabas o piezas de trabajo calientes, pero
nunca deben usarse mientras esta trabajando la maquina. Usar gafas o gogles para protegernos los ojos de las rebabas Asegurarse de que las mordazas ejerzan la fuerza de agarre suficiente
para sujetar con seguridad la pieza de trabajo.
3.3.3. DESCRIPCION DEL PROCESO
69
CURSOGRAMA ANALITICO
DIAGRAMA No. 1 HOJA No. 1 de
3 RESUMEN
ACTIVIDAD ACTUAL PROPUESTA ECONOMIA OBJETO: Tornillo De Aluminio 6061T6, con Moleteado en uno de sus extremos y un Barreno
OPERACIÓN
TRANSPORTE
ESPERA
INSPECCION
ALMACEN
ACTIVIDAD: Maquinar un tornillo de aluminio 6061 T6, mediante las siguientes operaciones: 1) Desbaste ( para obtener el diámetro), 2) Realizar Chaflanes, 3) Diámetro Menor, 4) Moleteado, 4) Taladrado (un Barreno), 5) Cuerda,
DISTANCIA
LUGAR: Taller de Manufactura TIEMPO (Hr - Hom)
OPERARIO(S): Mario Pérez
Jaimes
COSTO ( $ )
MANO DE OBRA
MATERIAL
Fecha: 03 de Julio del 2006 TOTAL
SIMBOLO DESCRIPCION DEL PROCESO C D
(mts.) T (min.)
OBSERVACIONES
Se localiza el material. 2 x Se recibe el material del almacén. 1 20 x Es una pieza grande Se lleva el mat. al tornillo de banco. 20 0.30 x Se corta la pza. con sus dimensiones. 10 x 12 cm. de largo
Se selecciona la herramienta a usar. 7 x
Se lleva la herramienta al torno. 4 1 x Se lleva la barra. 4 0.30 x Colocar la pieza en el torno. 1 x Medir la superficie por desbastar. 3 x Verificar que la pieza este bien sujeta. 0.30 x
Llevar a afilar el Buril para el corte. 1.5 5 x Colocar el Buril en torreta p/operación. 1.5 3 x
Regular las revoluciones al torno. 2 x Encender el torno. 0.10 x Realizar el refrentado. 2 x Maquinar, realizar los chaflanes. 0.15 x Maquinar, realizar el diámetro mayor. 60 x Rebajar a 1.27 cm.
Maquinar, realizar el diámetro menor. 16 x Rebajar a 0.635 cm.
Maquinar, realizar el moleteado. 2 x Apagar el torno. x Quitar la viruta del torno. 1 4 x Retirar la pieza del torno. 1 x Llevar la pieza hacia el taladro. 3 0.30 x
70
SIMBOLO DESCRIPCION DEL PROCESO C D
(mts.) T (min.)
OBSERVACIONES
Colocar la pieza en el taladro de banco. 6 x
Colocar las brocas p/realizar la perforación 1 x Broca de ¼ de
pulgada Verificar que la pieza este bien sujeta. 0.30 x
Determinar la posición del barreno. 7 x Encender el taladro de banco x Se realiza el Barreno. 3 x Atraviesa la pieza Apagar el taladro. x Quitar la viruta del taladro. 2 4 x Retirar la pieza del taladro. x Llevar la pieza hacia el torno. 3 0.30 x Colocar la pieza en el torno. 1.5 x Verificar que la pieza este bien sujeta. 0.20 x ½ 13UNC-2A
Medir la longitud de la cuerda. 2 x Llevar a afilar el Buril c/ángulo correcto. 1.5 3 x 60°
Colocar el Buril en torreta p/operación. 1.5 1 x
Regular las revoluciones al torno. 2 x Encender el torno. x Maquinado, de la cuerda. 30 x En mm. Detener el torno. x Retirar el tornillo del torno. 1 x Quitar la viruta del torno. 1 4 x Quitar el Buril de la torreta. 1 x Llevar al almacén la herramienta usada. 4 1 x
Se lleva la pieza a inspección. 2 1 x Se inspecciona. 2 x Se limpia totalmente la pieza terminada. 2 x
Se lleva al almacén. 2 1 x TOTAL 1 52 203.45
71
Para la cuerda del husillo se requiere. Seguir las recomendaciones del fabricante
del torno, por lo que se procede a establecer el modo de uso del torno, de acuerdo
a la tabla siguiente.
Ya verificada la tabla se procede a colocar el modo de uso del torno como se
observa a continuación.
72
A continuación se procede a instalar la pieza de trabajo como lo establece el
fabricante del torno, hay que tomar en cuenta todas las medidas de seguridad con
el objeto de no producir algun daño al operador, contando en todo momento con
las gafas de proteccion(gogles), para evitar que la rebaba o viruta caigan sobre los
ojos del operador, no sin antes mencionar que antes de empezar a trabajar con el
torno este debera estar limpio y sin residuos de algun trabajo realizado
anteriormente, ya que esto no permitiria ver algun daño que pueda tener el torno o
alguna pieza que se encuentre cerca del area de maquinado y salga disparado
dañando a alguien o alguna fuga de aceite.
73
Ya hechas las recomendaciones anteriores se procede al maquinado, siempre
teniendo las precauciones debidas, ya que con el tiempo se van adquiriendo
habilidades en el uso de la maquina y esto llega en un momento dado a que el
operador tenga tanta confianza que sin darse cuenta pueda causarle algun daño,
al operador.
74
3.4. MAQUINADO EN CNC DE LA MORDAZA DESLIZANTE.
Primero comenzamos con desbastar el bloque de aluminio en el torno hasta
dejarlo con las medidas siguientes:
l= 28.575 mm. ; de la parte lateral a= 60.325 mm. ; de la parte frontal. b= 45 mm. ; de la altura.
Antes de comenzar a maquinar debemos previamente realizar la simulación del
maquinado en la computadora con la ayuda del programa Master Cam, que en
este caso utilizaremos la versión 9, y se realizara como sigue:
Se dibuja la figura a la cual se le harán los procesos, primero la parte superior
y después el diente de la mordaza deslizante.
l
a
b
75
Después se realiza la selección de la herramienta, a continuación se
determinan las operaciones y las distancias del recorrido de la herramienta, en la
siguiente figura se puede apreciar como la herramienta va a desbastar la pieza,
las líneas amarillas indican la trayectoria sin hacer ningún corte y las líneas azules
indican la trayectoria de corte de la herramienta sobre la pieza, lo cual quedará
como sigue:
Además la simulación previa es muy importante ya que se pueden apreciar
errores de avance de la herramienta, profundidad de corte que no pueda soportar
la herramienta y además la mejor configuración de maquinado para ahorrar
tiempo. A continuación se presenta una simulación del maquinado.
76
De manera similar que se hizo con el diente de la mordaza, se hará como
sigue:
Se realiza el dibujo de la superficie a crear:
Se continúa con la trayectoria de la herramienta sobre la pieza, el cual en este
caso se hace en un plano o sea en dos dimensione y quedará como sigue:
Y la simulación será como se indico.
De esta manera se procede con el proceso en la máquina CNC, lo cual es de
gran importancia, ya que la simulación permite ahorrar tiempo, material y costos.
Así para el maquinado de la mordaza deslizante se llevaron a cabo dos procesos,
de los cuales uno fue en dos dimensiones y el otro en tres dimensiones, ya que
77
fue muy necesario, pero lo ideal es hacer todos los procesos en dos dimensiones
ya que tarda menos que un proceso en 3D.
Después de este proceso de simulación, se generan los códigos en un archivo
de texto, el cual se importa a la máquina CNC CINCINNATI 5000 donde se
realizará primero la parte superior de la Mordaza deslizante, después se realizará
el diente inferior.
El tiempo aproximado de maquinado es para la mordaza es: 1 hora, 19
minutos, 10 segundos, y para el diente de la mordaza es de: 11 minutos y 11
segundos.
3.6. MAQUINADO DE LA PLACA DE LA MORDAZA
DESLIZANTE CON LA FRESADORA.
Fresadora universal con desplazamiento Horizontal y vertical, Marca METAL
PROGRES Modelo FUZ-S.
La maquina fresadora horizontal y la fresadora vertical son dos de las
herramientas mas útiles y versátiles.
Ambas maquinas utilizan cortadores o fresas giratorios que tienen uno o mas
filos cortantes.
La pieza de trabajo, que debe quedar sujeta en una prensa de tornillo, o con un
aditamento o accesorio para fijar a la mesa es avanzada hacia la herramienta de
corte giratoria.
Equipada con los accesorios apropiados, las maquinas de fresado son
capaces de llevar a cabo una gran variedad de operaciones como lo son:
Taladrado Escariado Barrenado
78
Contra taladrado Careado Producir superficies planas y de contorno Ranuras Dientes de engranes Formas helicoidales
3.5.1. SEGURIDAD EN LA FRESADORA.
Antes de poner en marcha la maquina debe conocer la posición y la manipulación de sus controles, siempre observar la acción de corte de mi herramienta de manera que pueda parar la maquina inmediatamente que vea u oiga algo que no le resulte conocido. Nunca dejar trabajando la maquina sola. Verificar que estén desembragados los volantes o manivelas de la s
palancas, por que pueden girar con rapidez y lastimar a alguien que se encuentre cerca.
No posicionar mi pieza demasiado próxima a la herramienta de corte. Al manejar herramientas y piezas de trabajo de bordes cortantes debe
tenerse cuidado de evitar cortarse. Usar gafas o gogles para protegernos los ojos de las rebabas.
Primero se cortan dos pedazos de placa de aluminio más grandes que las
siguientes medidas:
l= 60.3 mm.; largo.
a= 35.32 mm.; ancho.
t= 4.76 mm. ; Espesor.
Que son las medidas a la cuales se pretende llegar. Con ayuda de la fresadora
universal
79
CAPITULO IV. CONTROL DE CALIDAD.
80
4.1. ANÁLISIS DEL PROCESO ACTUAL EN BASE A
TÉCNICAS DE LA INGENIERÍA DE PROCESOS.
Este es el primer paso del procedimiento para ejecutar, para mejorar un
proceso hay que conocerlo perfectamente. En este sentido la Ingeniería de
Procesos ha desarrollado una serie de técnicas que están enfocadas a describir el
método de transformación de los recursos con el nivel de detalle que sea
conveniente. Dichas técnicas son diagramas, gráficos, cartas, tablas, etc. Vamos
a presentar las siguientes para el análisis de los procesos:
Diagramas del Proceso de la Operación
Diagramas del Proceso del Recorrido
Diagramas de Actividad Múltiple
Diagramas de Movimientos y de Micro movimientos
Simogramas
Diagramas de Flujo
Diagramas de hilos
Gráficos de trayectoria
Otros....
La naturaleza de estos diagramas exige, en forma previa, la puntualización de
ciertos conceptos fundamentales y su nomenclatura, cosas que han sido
planteadas por diferentes instituciones a nivel mundial y que se convierten en
opciones de donde elegir la que mejor convenga al análisis que se intenta realizar.
En efecto, según la ASME, "American Society of Mechanical Engineers", todo
proceso de transformación de recursos puede analizarse mediante diagramas que
se construyen con las siguientes actividades elementales:
OPERACION: Se la simboliza con un círculo pequeño que puede tener un
número inscrito, y se la define como la actividad que tiene por finalidad el cambio
81
intencional de cualquiera de la propiedades físicas o químicas de un recurso,
incluyendo las tareas de oficina, como la hechura de un informe, la preparación de
un plan de trabajo, etc. Esta actividad consume tiempo y precisa, a su vez, de
recursos.
INSPECCION: Es la actividad mediante la cual se constata o verifica el
cumplimiento de una especificación de calidad o cantidad en un producto o en un
proceso. La inspección, por tanto, está vinculada con un proceso de toma de
decisiones. Su símbolo es un cuadradito.
TRANSPORTE: En su sentido literal, un transporte ocurre cuando un recurso o
producto, en cualquiera de sus fases de transformación, se desplaza de un lugar a
otro. Excepto cuando el traslado tiene lugar al interior de otra actividad. Se lo
representa con una flecha estilizada.
ALMACENAJE: Tiene lugar cuando se tiene que cumplir con una disposición
que obliga a inmovilizar un objeto, brindándole la protección adecuada, debiendo
esperar la orden de persona autorizada para volver a movilizarlo. Su
representación gráfica es un triángulo equilátero con un vértice hacia abajo.
DEMORA: Esta actividad no deseada sucede cuando circunstancias fuera del
control pertinente impiden que se lleve a cabo otra actividad programada dentro
del proceso correspondiente. La imagen de una demora es una D mayúscula algo
exagerada.
A veces estas actividades ocurren de manera simultánea por lo que, en la
representación del modelo diagramático del proceso, sus símbolos deben
combinarse.
Por otro lado la ISO propone la siguiente simbología para elaborar diagramas de
flujo:
82
Estos elementos permiten aplicar varias de las técnicas antes señaladas mediante
la construcción de diagramas, como los que se muestran a continuación, los
mismos que, al igual que otros que se construyen con otros símbolos, se deben
utilizar cuando convenga, ya sea en esta fase de análisis del método actual o en la
de presentación de la propuesta de cambio o cuando se especifique el método
nuevo y se exija su observancia disciplinada, según lo demande el avance del
procedimiento de Kaizen.
83
4.2. EL PROCESO DEL DISEÑO EN INGENIERÍA
El diseño en ingeniería es uno de los procesos que normalmente se
encuentran asociados con todos los conocimientos de una empresa, desde la
recepción del pedido o idea de un producto hasta el mantenimiento del mismo,
incluyendo todas las etapas entre ellos.
El proceso de diseño requiere información de áreas como las necesidades del
cliente, materiales, capital, energía, requerimientos de tiempo, y de conocimientos
y habilidades humanas.
Dos aspectos sociales que el ingeniero debe tomar en cuenta son los legales y
los ambientales. Toda empresa debe funcionar dentro de las leyes que gobiernan
su ramo. Es importante que el ingeniero que hace diseño conozca los aspectos
legales que tal vez afecten el producto diseñado. Las leyes de seguridad que
tienen que ver con los automóviles son un ejemplo de la forma como la legislación
del gobierno puede tener efecto sobre un diseño. La reglamentación del gobierno
relacionada con el medio ambiente también puede tener efecto con el resultado
final del diseño por ejemplo las emisiones de gas del motor al medio ambiente.
El diseño en ingeniería abarca tanto al proceso como al producto. Un proceso
es una serie de acciones continuas que terminan en un resultado particular. El
producto es cualquier cosa producida como resultado de algún proceso.
Las gráficas son una parte muy importante del proceso de diseño en
ingeniería, el cual las utiliza para visualizar las posibles soluciones y documentar
el diseño para fines de comunicación. Las gráficas o el modelado geométrico que
utiliza el CAD, se emplean para visualizar, analizar, documentar y producir un
proceso o producto. De hecho el modelado geométrico bien puede considerarse a
la vez como proceso y producto. Como proceso, el modelado geométrico produce
soluciones finales de diseño, así como las entradas al proceso de producción, en
forma de bases de datos para la computadora. Como producto, el modelado
geométrico es el resultado del proceso de diseño en ingeniería.
84
4.3. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA.
Es un proceso de ideación en el que se establecen los parámetros del proyecto
de diseño antes de hacer un intento por encontrar una solución de diseño.
Los problemas de diseño en ingeniería deben definirse claramente antes que
se inicie el proceso de diseño. La definición del problema requiere información
proveniente de los clientes, de mercadotecnia, de administración y de ingeniería.
Los datos para determinar las necesidades del consumidor se obtienen mediante
encuestas, a través de entrevistas personales o telefónicas, cuestionarios
enviados por correo y grupos de interés.
Después de la obtención de datos, la información se comparte con el equipo
antes del desarrollo de las ideas preliminares.
4.4. PLANTEAMIENTO DE IDEAS PRELIMINARES.
Una vez que la identificación del problema esta completa, el equipo comienza a
desarrollar ideas preliminares para la solución del problema. A menudo esta etapa
del proceso se conoce como lluvia de ideas. La lluvia de ideas es el proceso de
concebir la mayor cantidad de soluciones posibles para un problema. Antes de
que comience la sesión se comparten con el grupo los resultados de la fase de
ideación, como las encuestas de mercadotecnia y la investigación del producto.
Este proceso de síntesis se emplea como catalizador para la generación de la
mayor cantidad de ideas posibles, al darle al grupo un punto de partida para el
diseño de la solución. Además se generan croquis o modelos por computadora
iniciales.
4.5. DISEÑO PRELIMINAR
Después de la lluvia de ideas, estas se evalúan utilizando como criterios los
planteamientos del problema, las metas del proyecto y las limitaciones. Los
diseñadores industriales pueden crear modelos preliminares de hule, espuma o de
85
otro material, o pueden usar los modelos por computadora creados en la fase de
ideas preliminares para controlar las maquinas que generan los modelos físicos.
La elección del diseño final puede ser fácil si solo uno reúne los criterios de
diseño.
4.6. GENERACIÓN DE IDEAS PARA GRÁFICAS Y
VISUALIZACIÓN
En la fase de ideación se producen bosquejos y modelos por computadora
conceptuales, conocidos como dibujos o modelos de ideación. Los dibujos de
ideación comunican ideas nuevas a través del uso de bosquejos y modelos por
computadora. Estos dibujos son una síntesis de la información obtenida en las
etapas preliminares del proceso de diseño, y pueden combinarse con lo que fue
visualizado en la mente y con lo que se plasmo en el papel o en la computadora.
El copiado de dibujos o la modificación de modelos por computadora fomenta el
surgimiento de ideas nuevas a partir de conceptos existentes.
Las gráficas de presentación se emplean para mostrar datos en una forma
sencilla de entender, como planos o gráficas. También pueden elaborarse gráficas
de los análisis de ingeniería y de costos preliminares. La ideación requiere
habilidades en la elaboración de bosquejos, visualización y gráficas de
presentación.
4.7. REFINAMIENTO DEL DISEÑO
El refinamiento es un proceso repetitivo (iterativo o cíclico) empleado para
probar el diseño preliminar, realizar cambios si es necesario y determinar si el
diseño satisface las metas del proyecto. El refinamiento es la segunda etapa
principal del proceso de diseño en ingeniería concurrente y esta formado por tres
áreas: modelado, análisis del diseño y visualización del diseño. A su vez estas
áreas se subdividen en actividades que al fin de cuentas redundan en la selección
de una sola solución de diseño.
86
El diseño preliminar se prueba físicamente, utilizando el análisis de elemento
finito, pruebas cinemáticas, animación y análisis espacial. El diseño se analiza en
relación con los objetivos del proyecto y el planteamiento del problema;
comenzando la manufactura para determinar los procesos necesarios para
producir el producto. La etapa de refinamiento depende en gran medida de las
gráficas para documentar, visualizar, analizar y comunicar la idea de diseño. Estos
dibujos y modelos de computadora se conocen como dibujos de refinamiento o de
diseño. Los dibujos de refinamiento son los dibujos y modelos técnicos utilizados
para analizar las ideas preliminares de diseño.
4.8. MODELADO
Es el proceso de representación de ideas abstractas, palabras y formas a
través del empleo ordenado de texto e imágenes simplificadas. Los ingenieros
usan modelos para pensar, visualizar, comunicar, predecir, controlar y entrenar.
Los modelos se clasifican como descriptivos o predictivos.
Un modelo descriptivo presenta ideas abstractas, productos o procesos en una
forma reconocible, por ejemplo un modelo por computadora en 3D de una pieza
mecánica. El dibujo o modelo sirve como medio de comunicación, pero no puede
emplearse para pronosticar comportamiento o desempeño. El modelo predictivo
es aquel que puede emplearse para comprender y pronosticar el comportamiento
o desempeño de ideas, productos y procesos.
Un modelo matemático emplea ecuaciones para representar los componentes
del sistema. Esta técnica es útil para comprender y pronosticar el desempeño de
sistemas grandes y complejos.
El modelo a escala es un modelo físico creado para representar los
componentes del sistema. De todos los procesos de modelado, este es uno de los
más útiles y fáciles de comprender. El modelo puede tener el tamaño real o ser
una replica a escala del diseño. Antes de la aparición de los modelos geométricos
en 3D por computadora estos eran hechos por hábiles artesanos en barro,
madera, hule, espuma u otros materiales. Los modelos físicos son útiles en
87
extremo para llevar a cabo análisis espaciales, estéticos, de factores humanos y
de propiedades.
Para algunos productos, los avances recientes en el modelado por
computadora y la construcción rápida de prototipos han reducido la necesidad de
crear modelos físicos mediante las técnicas tradicionales.
La construcción rápida de prototipos es un término amplio que se emplea para
describir varios procesos
Relacionados entre si, que se utilizan para crear modelos reales partiendo
directamente de una base de datos de CAD en 3D. Esto puede reducir de manera
importante el tiempo entre el modelado y la fabricación.
4.9. MODELADO GEOMÉTRICO
Representa ideas, productos o procesos complejos mediante dibujos o
modelos por computadora, que se emplean además de o en lugar de modelos a
escala. Los dibujos de refinamiento se crean como esquemas o modelos en 2D y
3D. Los esquemas bidimensionales son útiles en algunos análisis de ingeniería,
como las cinemáticas, en los cuales se verifica la posición de las piezas, en los
diagramas electrónicos y gráficas de comprobación, en la distribución de la línea
de ensamblado y en planos estructurales. Los modelos tridimensionales son
modelos de armazón de alambre, de superficie o sólidos. Los modelos de
armazón de alambre se utilizan como información geométrica de entrada para
trabajo de análisis simple, como los estudios cinemáticas o los análisis de
elemento finito. Los modelos de superficie se emplean para visualización,
eliminación automática de líneas ocultas y animaciones.
Los modelos sólidos se utilizan para el análisis de ingeniería y visualización, y
son descripciones matemáticamente precisas de productos y estructuras. Al
modelo de sólido se le asignan propiedades diferentes, como pueden ser el
material y la textura de la superficie, y estas propiedades asignadas sirven para
determinar las propiedades de masa del modelo, como son el peso y su centro de
gravedad. El modelo sólido puede sombrearse para mejorar la visualización del
88
producto, estructura o proceso. Los modelos físicos se generan automáticamente
a partir de modelos geométricos mediante la tecnología de construcción rápida de
prototipos.
Agudos de los programas CAD, que permiten generar este tipo de modelos
son: AutoCAD, Ansys, Unigrafic’s...
4.10. MODELADO BASADO EN RESTRICCIONES
También es conocido como modelado paramétrico, captura el intento de diseño
mediante la descripción de las relaciones entre los elementos geométricos con
ecuaciones y relaciones lógicas. Los parámetros están asociados con elementos
geométricos, tales como valores numéricos, ecuaciones y relaciones geométricas
(paralelo, perpendicular,..). Cuando se cambia un valor o parámetro, los elementos
geométricos relacionados con el se ven afectados. Por ejemplo, un agujero puede
estar restringido al centro de una pieza, si la longitud de esta se cambia, el agujero
deberá permanecer en el centro. Una ventaja del modelado basado en
restricciones es que facilita la exploración de variaciones en el diseño, además
facilita la generación de los dibujos y su correspondiente actualización con
respecto a los cambios efectuados, también facilita la generación del lenguaje de
máquina (archivo), para su correspondiente maquinado. Algunos programas de
CAD basados en restricciones: Pro Engineer, AutoCAD Mechanical Desktop y
SDRC IDEAS.
4.11. SIMULACIÓN Y ANIMACIÓN POR COMPUTADORA
Es el modelado preciso de situaciones complejas que involucran el tiempo
como elemento. Para fines de análisis de materiales puede emplearse el modelo
en 3D por computadora, en lugar del modelo físico. En el modelo pueden
asignarse propiedades a los materiales, de modo que este se comporte y tenga
una apariencia similar a la del producto real. Por ejemplo, en lugar de construir el
modelo a escala de una aeronave nueva y probarlo en un túnel de viento, puede
89
emplearse el modelo por computadora para simular la aeronave en la prueba del
túnel de viento.
La animación por computadora es el modelado impreciso de situaciones
complejas que involucran el tiempo como elemento. La diferencia más importante
entre simulación y animación es el grado de precisión. La animación solo imita una
situación real de manera aproximada; Una simulación imita con exactitud una
situación real.
4.12. PLANOS, GRÁFICAS Y DIAGRAMAS
Son parte de una técnica de modelado que juega un papel muy importante en
el proceso de diseño en ingeniería, en particular durante la etapa de refinamiento.
Los ingenieros emplean los planos (CAD) de manera muy extensa cuando
analizan las propiedades de un diseño. A menudo, los datos empíricos obtenidos
de los análisis de ingeniería se comprenden con mayor facilidad cuando se
representan en forma gráfica. Es posible elaborar una gráfica con los datos
recopilados, la cual puede transformarse después en una ecuación algebraica.
Cuando los datos dan origen a una curva irregular, entonces se usa él cálculo
integral.
4.13. ANÁLISIS DE DISEÑO
Es la evaluación de un diseño propuesto con base en los criterios establecidos
en la fase de ideación. Dentro del proceso de refinamiento, es la segunda área
más importante, y en ella participa todo el equipo de diseño. Entre los análisis más
comunes realizados sobre los diseños se incluyen los siguientes:
Análisis de propiedades, se evalúa el diseño con base en sus propiedades
físicas, como resistencia, tamaño, volumen, centro de gravedad, peso y centro de
rotación, así como sus propiedades térmicas, de fluido y mecánicas.
90
Análisis de mecanismos, donde se determinan los movimientos y cargas
asociadas con los sistemas mecánicos formados por cuerpos rígidos conectados
entre sí por uniones.
Análisis funcional, el cual determina si el diseño hace lo que se pretende que
haga; en otras palabras, si el diseño lleva a cabo las tareas y cumple con los
requerimientos especificados en la fase de ideación.
Análisis de factores humanos, es el que evalúa un diseño para determinar si el
producto sirve a las necesidades físicas, emocionales, mentales, de calidad y de
seguridad del consumidor.
Análisis estético, este evalúa un diseño con base en sus cualidades estéticas.
Análisis de mercado, en el se determina si el diseño satisface las necesidades
del consumidor, con base en resultados obtenidos de encuestas o de un grupo
piloto.
Análisis financiero, es el que determina si el precio del diseño propuesto se
encuentra dentro del rango del precio proyectado en la fase de ideación.
4.14. ANÁLISIS DE MERCADO Y FINANCIERO
Se efectúa antes que el producto comience a venderse o incluso antes de
producirlo. El análisis de mercado determina las necesidades y deseos del cliente,
de modo que el producto generado sea el que desea el consumidor.
El análisis financiero determina el capital disponible para el proyecto, así como los
costos proyectados para diseñar, manufacturar, ensamblar, vender y dar servicio a
un producto. Este tipo de análisis también determina la recuperación de la
inversión que puede esperarse para un producto nuevo.
4.15. VISUALIZACIÓN DEL DISEÑO
Es un proceso utilizado para mejorar la comunicación, el análisis y la
comprensión de un producto o estructura. En este se aprovecha la capacidad del
sistema visual humano para percibir formas en 3D, colores y patrones, para
91
conllevar información sobre un producto. La visualización del diseño es uno de los
métodos de análisis nuevos, gracias principalmente, a los avances en las gráficas
por computadora.
Las técnicas de visualización se utilizan por todos los integrantes del equipo de
diseño para refinar el diseño preliminar. La ingeniería emplea las técnicas de
visualización para determinar interferencias entre las partes; el modelado de
elemento finito (FEM) utiliza los colores, deformaciones y animación para mostrar
el resultado de las fuerzas; la mercadotecnia utiliza las imágenes generadas para
obtener información de los clientes; y producción emplea la animación para
analizar los procedimientos de producción. El equipo de diseño posee muchas
técnicas de visualización. El sombreado de superficies de los modelos por
computadora sirve para mostrar la apariencia que tendrá el diseño después de su
producción. Las ilustraciones técnicas se producen ya sea con los tradicionales
dibujos a mano empleando computadoras. Para determinar interferencias, las
partes de un sistema se muestran en movimiento gracias al empleo de la
animación por computadora. Las estructuras se analizan con la técnica de
recorridos, para evaluar parámetros de diseños estéticos y funcionales.
4.16. IMPLANTACIÓN
Es la tercera y ultima fase del diseño en ingeniería concurrente y, también, el
proceso que se utiliza para modificar el diseño final de la idea del producto,
proceso o estructura. En este momento el diseño esta terminado y cualquier
cambio pueden resultar muy costosos. El proceso de implantación incluye casi
cualquier fase de la empresa: planificación, producción, finanzas, mercadotecnia,
servicio y documentación. La meta de esta fase es convertir el diseño en una
realidad para la empresa y el consumidor.
92
4.17. PLANIFICACIÓN
Determina el método más eficiente para mover un producto a través del ciclo
de producción. Los ingenieros y técnicos de manufactura son los lideres del
proceso de planificación, ya que ellos programan las maquinas y los trabajos
necesarios para crear el producto. La planificación requiere tablas de procesos,
diagramas de flujo de datos y materiales, modelado del proyecto y tablas de
organización del trabajo, costos de los materiales y otros documentos. Las
técnicas de planificación modernas incluyen la planificación de procesos asistida
por computadora (CAPP), planificación del material requerido (MRP), y la
calendarizacion justo a tiempo (JIT).
La CAPP usa el modelo por computadora del diseño para determinar las
maquinas y procesos que deben utilizarse. La MRP calcula la materia prima
necesaria para producir el producto, para hacer tales cálculos utiliza el modelo de
sólidos.
El justo a tiempo (JIT) es una filosofía de operación que intenta reducir el tiempo y,
a la vez, eliminar el desperdicio.
Cualquier cosa relacionada con la fabricación de un producto que no le añada
valor a este se le considera un desperdicio.
4.18. PRODUCCIÓN
Son los procesos empleado para transformar materias primas en productos y
estructuras terminadas, utilizando mano de obra, equipo, capital e instalaciones. El
proceso de producción requiere dibujos de ingeniería, solicitudes de modificación,
especificaciones técnicas, costos de materiales y muchos otros documentos. Los
dibujos o modelos en 3D se emplean para crear la distribución del piso de la
fabrica; y los modelos por computadora pueden utilizarse para hacer funcionar las
maquinas y herramientas con las que se fabrican las piezas y para simular el
proceso de ensamblado y el movimiento de materiales de la fabrica.
93
4.19. MERCADOTECNIA
Considera las necesidades del cliente y dirige el flujo de bienes del productor al
consumidor. La mercadotecnia tiene un papel muy importante en las etapas de
ideación, refinamiento o implantación; es mucho más que ventas o publicidad: la
mercadotecnia asegura que se produzcan los productos correctos y que estos
tengan el impacto en el consumidor. Para vender con éxito un producto nuevo, la
mercadotecnia necesita ilustraciones y gráficas de presentación del producto. Los
modelos por computadora y los dibujos técnicos pueden emplearse como base
para crear las ilustraciones necesarias.
4.20. FINANZAS
Analiza la factibilidad de la producción de un producto en relación con los
requerimientos de capital y la recuperación de la inversión. En cualquier empresa,
las finanzas tienen que ver con la administración del flujo de efectivo, de modo que
siempre estén disponibles los medios para alcanzar los objetivos de la empresa lo
más pronto posible. La administración financiera incluye:
1La estimación y planificación del flujo de pagos y gastos en efectivo.
2. Conseguir de fuentes externas los fondos necesarios para las
operaciones cotidianas.
3. Controlar las operaciones para garantizar el flujo de efectivo a través de
toda la empresa.
4. Dividir las ganancias entre los pagos a los propietarios y la inversión en
el desarrollo futuro de la empresa
Las actividades básicas en las finanzas, sin que importe el tipo de
organización, son planificación financiera, financiamiento real de las operaciones
propuestas, análisis y control financiero y la disposición de las utilidades netas. La
planificación financiera estima el volumen de ventas de la empresa, que la
94
administración emplea para determinar los requerimientos de inventarios, mano de
obra, entrenamiento, y también el uso de los recursos. Los presupuestos se
emplean para estimar y planificar las necesidades financieras de un diseño nuevo,
y el equipo de diseño debe trabajar dentro de las restricciones presupuéstales. A
medida que se termina el diseño, el personal de finanzas que trabaja en el equipo
determina los costos y las utilidades proyectadas.
4.21. ADMINISTRACIÓN
Es la administración lógica de las personas, materiales, energía, equipo y
procedimientos en actividades de trabajo diseñadas para producir un resultado
final específico, esto es, un producto. Los gerentes controlan o conducen las
operaciones cotidianas de una empresa. Los gerentes de producción dirigen los
recursos necesarios para producir los bienes y servicios de una organización. Los
gerentes de producción dirigen personas, plantas, partes y procesos, así como la
planificación y sistemas de control. La competencia global ha obligado a la
industria a ser mucho más consciente de la calidad. En la actualidad muchas
industrias están utilizando unos procesos de administración denominado
administración de la calidad total (TQM. La TQM es el proceso de administrar la
organización como un todo de tal forma que esta sobresalga en todas las áreas de
producción y servicio importantes para el consumidor. Los conceptos importantes
son:
1. La calidad es aplicable a toda la organización en todo lo que hace.
2. La calidad esta definida por el consumidor
La práctica de la TQM requiere una definición operacional de la calidad, la
comprensión de sus dimensiones y de métodos para incluir las opiniones de los
consumidores.
95
La calidad del producto puede definirse como la calidad de su diseño y la
calidad de su apego a dicho diseño. La calidad del diseño es el valor inherente del
producto en el mercado.
La calidad de apego tiene que ver principalmente con las funciones operacionales
y la calidad de las organizaciones dentro de la empresa.
4.22. SERVICIO
Es una actividad que apoya la instalación, entrenamiento, mantenimiento y
reparación de un producto o estructura para el consumidor. El servicio utiliza
ilustraciones e informes técnicos para apoyar sus actividades. Las ilustraciones
técnicas se incluyen en los manuales de instalación, mantenimiento y reparación.
Comúnmente las ilustraciones técnicas son dibujos de ensamble, que muestran la
forma en que se arman varias partes, dibujos pictóricos, ilustraciones generadas
por computadora y gráficas que indican el orden de ensamblado, así como la
funcionalidad, de los componentes del producto. Con el uso de varias técnicas, las
partes que normalmente quedan ocultas a la vista aparecen en sus posiciones de
operación.
4.23. DOCUMENTACIÓN
Una vez que el diseño queda terminado en la etapa de refinamiento, este se
mueve a la última del desarrollo, la cual recibe el nombre de documentación. La
documentación es el proceso empleado formalmente para registrar y comunicar la
solución final de diseño. Antes de la aparición de la ingeniería concurrente, buena
parte de la documentación gráfica se encontraba en forma de dibujos e
ilustraciones de ingeniería en 2D. Con el CAD y el modelado en 3D, la mayor parte
de las gráficas producidas en la etapa de refinamiento se encuentran en modelos
en 3D. Estos modelos se utilizan como punto de partida en la etapa de
documentación para crear dibujos de ingeniería, ilustraciones técnicas,
animaciones y dibujos de patente. Es así como la documentación se convierte en
96
una actividad concurrente a través del proceso de diseño, en lugar de ser algo que
solo aparece al final.
La documentación concurrente es un proceso que crea documentos al mismo
tiempo que se desarrolla el diseño del producto. Si se hace uso de la ingeniería
concurrente entonces tiene sentido emplear la documentación concurrente para
facilitar el proceso de comunicación en la empresa.
Cuanto más eficaz sea una compañía para comunicar información sobre sus
productos, tanto internamente como a sus clientes, mayor será su éxito. La
documentación, es el hilo común que corre por todo el proceso de diseño; es la
actividad que se convierte en la memoria corporativa de un proyecto. Las prácticas
de documentación concurrente maximizan el tiempo creativo y minimizan el de
documentación; por consiguiente la ingeniería y la documentación concurrente
deben formar un sistema integral. Toda la información generada se comunica de
manera electrónica, utilizando el hardware y el software de la computadora y el
modelo en 3D del diseño.
La siguiente es una lista de los documentos que se necesitan en un proyecto
de ingeniería:
1. Bosquejos de planificación.
2. Dibujos de ingeniería.
3. Ilustraciones técnicas.
4. Dibujos de circuito impreso.
5. Dibujos de patente.
6. Memorando.
7. Informes de prueba.
8. Datos de prueba.
9. Especificaciones funcionales.
10. Especificaciones técnicas.
11. Solicitudes de cambio.
12. Documentación de discusión. Hojas de proceso.
13. Gráficas de comprobación.
97
14. Gráficas de presentación.
15. Diagramas de flujo de datos.
16. Cartas de organización del trabajo.
17. Diagramas eléctricos.
18. Informes de análisis.
19. Ordenes de compra.
20. Costos de materiales.
21. Manuales técnicos.
22. Manuales de producto.
4.23.1. DIBUJOS DE DISEÑO Y MODELOS
Son todos los bosquejos, dibujos preliminares del diseño y modelos en 3D
iniciales por computadora creados durante las fases de ideación y refinamiento.
Cuando se utiliza la documentación concurrente, estos dibujos y modelos se
refinan junto con el diseño. Los dibujos y modelos de diseño se emplean como
información inicial para otros procesos de documentación.
4.23.2. DIBUJOS Y PROCESOS DE PRODUCCIÓN
Para fines de producción se utilizan dibujos de vistas múltiples con
dimensiones y dibujos de ensamblado con una lista de partes. Los dibujos de
vistas múltiples se conocen como dibujos de producción porque se emplean como
medios de comunicación entre el diseño y la producción o manufactura. Si el
modelo del diseño se hace en 3D con ayuda con ayuda del CAD, entonces la
extracción de los dibujos de vistas múltiples puede hacerse de manera automática
a partir del modelo. Después de añadir las dimensiones a los dibujos, se producen
los dibujos de ensamblado con una lista de partes, para crear entonces los dibujos
de producción. Estos dibujos contienen los detalles suficientes para desarrollar el
producto. A continuación se sacan copias heliográficas de los dibujos, las cuales
se utilizan por los ingenieros y técnicos de manufactura en la fabricación y
98
ensamble del proceso. Otra finalidad de los dibujos de ingeniería por computadora
es la facilidad para retomar un diseño pasado, siempre y cuando exista el archivo
de dibujo, ya sea con extensión DWG, DWT, DXF.
Es posible crear un producto, sin utilizar dibujos en papel vinculando toda la
empresa con las computadoras. Para esto el producto debe ser diseñado y
modelado en CAD 3D. El modelo de CAD se emplea entonces como entrada a la
computadora de las maquinas de control numérico (CNC), donde se crea la
trayectoria de la herramienta. Los operadores de las maquinas, los ingenieros y
los técnicos se sirven de una Terminal de computadora para tener acceso a la
base de datos central que contiene los dibujos de ingeniería y el modelo en 3D. La
Terminal de computadora, sirve como medio de comunicación en lugar del papel.
Aunque la eliminación total del papel, en la industria tal vez no sea posible, en la
actualidad algunas compañías utilizan ya muy poco papel, utilizando las
computadoras para controlar el producto y los procesos.
4.23.3. ILUSTRACIONES TÉCNICAS
Estas se desarrollan y utilizan en todo el ciclo de ingeniería documentación
concurrente, iniciando con una base de datos del diseño. Las ilustraciones ya sean
obtenidas a mano o por computadora sirven a los diseñadores industriales para
transmitir sus ideas a otros miembros del equipo al inicio del proceso de diseño.
Las ilustraciones son interpretadas por la mercadotecnia para crear anuncios e
información de ventas, también por el departamento de servicio al cliente, para
crear documentos técnicos tales como los manuales de instalación y
mantenimiento.
4.23.4. ANIMACIONES
Se aplican en la fase de documentación para dar apoyo a las actividades de
mercadotecnia, entrenamiento, producción y servicio. En mercadotecnia las
ilustraciones se emplean para generar publicidad en servicio para crear videos de
99
entrenamiento para los técnicos de servicio; y en producción para mostrar la forma
en que opera la línea de ensamblado. En el proceso de documentación
concurrente, las animaciones se crean con software de animación (3D estudio,
corel draw), utilizando el modelo de computadora del diseño como la base de
datos de entrada.
4.23.5. INFORMES TÉCNICOS
Constituyen descripciones profundas cuyo propósito es realizar la crónica del
proceso de diseño.
Los informes finales que incluye texto y gráficas, se escriben al término del
ciclo de diseño y su contenido es mucho más detallado. Generalmente el informe
final contiene los siguientes puntos:
1. Pagina de titulo.
2. Tabla de contenido.
3. Resumen.
4. Identificación del problema.
5. Procedimientos.
6. Solución del problema.
7. Resultados.
8. Conclusiones.
9. Bibliografía.
10. Apéndices.
4.23.6. GRÁFICAS DE PRESENTACIÓN
Se componen de texto, ilustraciones y otras ayudas visuales que se utilizan
cuando se rinde un informe oral ante un grupo de personas. A menudo los
informes de avance y final se presentan ante gerentes de varios niveles y áreas
dentro de la compañía. Los informes orales son complementados con ayudas
100
visuales que auxilian a la audiencia a comprender la información presentada. Las
gráficas de presentación incluyen:
1. Planos.
2. Gráficas.
3. Cuadros.
4. Tableros con hojas desprendibles.
5. Transparencias.
6. Videos.
7. Diapositivas.
8. Fotografías.
9. Modelos reales.
10. Modelos por computadora.
4.23.7. DIBUJOS DE PATENTE
Una patente es el "derecho de excluir a otros de la fabricación, uso o venta", y
es expedida por el gobierno. El proceso de patentado fue desarrollado para
fomentar la diseminación de los avances técnicos, al imponer un periodo limitado
de protección para el uso exclusivo de tal avance. En estados unidos la patente se
otorga por un periodo de 17 años. Todos los elementos de la patente deben estar
clara y completamente descritos, en los alegatos, la descripción y los dibujos. El
dibujo de patente es una pieza gráfica reglamentada.
Las vistas empleadas en un dibujo de patente pueden ser planas, de elevación,
de sección o en perspectiva. También se permiten vistas detalladas para indicar el
orden de ensamble.
RESUMEN Las gráficas han sido, y continuaran siéndolo, un elemento
importante del diseño en ingeniería. Las gráficas, en todas sus formas, constituyen
el mejor medio de comunicación en el proceso de diseño. El empleo de
computadoras para modelar el diseño y crear una base datos gráfica, que pueda
101
compartirse con cualquier miembro del equipo de diseño, extenderá aun más el
papel de las gráficas en el futuro. El ingeniero y el técnico deben saber como
utilizar las gráficas para comunicar, visualizar y presentar información técnica con
eficiencia y eficacia.
102
CAPITULO V PRRPIEDADES DEL MATERIAL.
103
¿Por qué se eligió el aluminio para un trabajo sobre propiedades mecánicas de
los materiales?
El aluminio es un metal que reúne una serie de propiedades mecánicas
excelentes dentro del grupo de los metales no férreos, de ahí su elevado uso en la
industria.
Dentro del ciclo vital del aluminio, éste se encuentra actualmente en la etapa
de madurez, es decir su producción está estabilizada desde hace un par de
décadas, aunque en la industria de la automoción su uso es cada vez mayor. Esta
aparente contradicción se debe a que está siendo sustituido por nuevos
materiales, como los polímeros o los materiales compuestos, en aplicaciones en
las que hasta ahora se había utilizado el aluminio. Esto mismo ocurre en mayor
medida con los metales ferrosos, donde su producción sí ha disminuido, al verse
sustituidos por los nuevos materiales o por el propio aluminio, es el caso de los
automóviles o motocicletas, donde cada día aparecen más motos con bastidores
de aluminio y coches con suspensiones, partes del chasis y carrocería fabricados
con aluminio.
El aluminio, cuando se habla de aluminio se tiene en cuenta todas sus
aleaciones, ya que satisface como ningún otro metal las actuales demandas que
se piden a un material estructural como son:
La ligereza, la densidad del aluminio (2,70 g/cm.) es realmente baja comparada
con la del hierro (7,90 g/cm.).
La buena resistencia mecánica de algunas de sus aleaciones, incluso a altas
temperaturas, lo que hace que esté legando a sustituir a aleaciones de titanio en el
mundo aeronáutico, donde la ligereza unido a la resistencia mecánica son factores
importantísimos.
104
Muy buena resistencia a la corrosión gracias a la película de alúmina, que se
forma en su superficie de forma espontánea y lo protege de la corrosión.
Una propiedad cada vez más en alza como es la reciclabilidad donde el
aluminio destaca especialmente, ya que si bien el aluminio es el metal más
abundante en la corteza terrestre, el proceso de obtención del aluminio requiere
una alta cantidad de energía en comparación con otros metales como puede ser el
acero, pero esta cantidad de energía se reduce enormemente en el proceso de
producción secundaria ( reciclaje) para el caso del aluminio, provocando que la
industria lo tenga muy en cuenta a la hora de ahorrar dinero en forma de energía.
Como propiedades físicas del aluminio caben resaltar, su alta conductividad
térmica y eléctrica, esta última le hace adecuado para muchas aplicaciones dentro
de la industria eléctrica, su baja temperatura de fusión unido a su elevada
temperatura de ebullición hacen al aluminio muy idóneo para la fundición. El
aluminio cristaliza en la red FCC (ó CCC) y no sufre cambios alotrópicos, lo que le
confiere una alta plasticidad, aunque las propiedades mecánicas varían
enormemente según sean los elementos aleantes y los tratamientos
termomecánicos a los que se haya sometido el aluminio.
5.1. ALEACIONES Y CLASIFICACIÓN DE LAS
ALEACIONES DEL ALUMINIO:
Las propiedades del aluminio dependen de un conjunto de factores, de estos,
el más importante es la existencia de aleantes. Con la excepción del aluminio
purísimo (99,99 % de pureza), técnicamente se utilizan sólo materiales de aluminio
que contienen otros elementos. Aún en el aluminio purísimo, las impurezas (Fe y
Si) determinan, en gran medida, sus propiedades mecánicas.
Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (si),
magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn):
105
En menores cantidades existen, frecuentemente, como impurezas o aditivos:
hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti). Para aleaciones especiales se adiciona:
níquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño
(Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd) y bismuto (Bi).
La clasificación del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos
bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundición. Esta división se debe a
los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus
aleaciones.
térmicamente. Las no tratables térmicamente solo pueden ser trabajadas en
frío con el fin de aumentar su resistencia.
Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división
clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables
A continuación aparecen dos cuadros con los grupos básicos para las
aleaciones de forja y fundición, además hay unas designaciones para especificar
el grado de endurecimiento que no serán comentadas por ser demasiado
específicas y no venir al caso en el tema de este trabajo.
Conviene señalar que, dentro de las aleaciones para forja, los grupos
principales de las no tratables térmicamente son: 1xxx, 3xxx y 5xxx. Dentro de las
tratables térmicamente los grupos principales son: 2xxx, 6xxx y 7xxx.
En esta ultima división, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores
resistencias mecánicas, los grupos 2xxx y 7xxx, por lo que son las aleaciones más
indicadas para este trabajo. Al final de este, se hará una mención especial a estos
dos grupos y sus características mecánicas.
106
5.2. PROPIEDADES MECÁNICAS
A continuación se adjunta un cuadro con aleaciones de aluminio para forja y
fundición con sus composiciones químicas y propiedades mecánicas más típicas.
Especial mención, como se comentaba antes, a las aleaciones 2024 y 7075 que
son muy utilizadas en situaciones que requieren máxima resistencia mecánica
junto con ligereza.
Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven en
la mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material metálico,
con vistas a un fin de aplicación concreto. A continuación se da un resumen de las
propiedades mecánicas más importantes del aluminio no sólo sometido a esfuerzo
continuo sino también, oscilante y por golpe
Dureza: la mayoría de las veces se da en los materiales de aluminio la dureza
Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. Los valores de la dureza
Brinell se extienden desde HB=15 para aluminio purísimo blando hasta casi
HB=110 para AlZnMgCu 1,5 endurecido térmicamente, es decir, aleación 7075.
Los valores de la dureza determinados por otros métodos, como el Vickers o el de
Knoop, apenas tienen significado práctico en este metal. De vez en cuando se
utiliza la micro dureza, una variante del método Vickers, para determinar la dureza
de capas anodizadas.
Resistencia en el ensayo de tracción: los importantísimos valores
característicos que se obtienen en el ensayo de tracción para juzgar las
propiedades resistentes de los materiales metálicos en general, son aplicables a
los materiales de aluminio. Generalmente estos valores son el límite elástico 0,2%,
la resistencia máxima a la tracción, el alargamiento a la rotura, así como la
estricción de ruptura.
107
En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de aleación.
Los dominios de la resistencia en cada aleación surgen, ante todo, como
consecuencia de los aumentos de resistencia que se consiguen por deformación
en frío o endurecimiento por tratamiento térmico. Los distintos elementos de
aleación actúan de modo muy diferente en cuanto al aumento de resistencia.
Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsión: en los
materiales alumínicos se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento
0,2% (parámetro de la resistencia a la compresión) es igual al valor del límite
elástico 0,2% de tracción. La resistencia a la compresión o el límite de
aplastamiento 0,2% tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a
compresión tales como cojinetes de fricción.
La resistencia a la flexión en las aleaciones de aluminio se tiene en cuenta
para las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción
no es posible determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su
pequeño valor.
La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza
necesaria para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores
normalizados. Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.
Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera una
distribución lineal de tensiones, puede considerársela igual a la resistencia al
cizallamiento.
Propiedades resistentes a temperaturas elevadas: al aumentar la
temperatura, disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza,
en tanto que, en general, aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de
rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la determinación de valores de
resistencia para altas temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras:
108
Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden
producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han
experimentado endurecimiento por deformación en frío, estas traen consigo una
disminución de la resistencia mecánica.
Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede
experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo,
aumentando la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la
temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo pueden surgir tensiones por debajo
de la resistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%.
Características de resistencia a bajas temperaturas: el comportamiento de
los metales a bajas temperaturas depende fundamentalmente de la estructura de
su red cristalina. El aluminio con su red FCC (ó CCC) tiene la misma estructura
que el cobre, el níquel o los aceros austeníticos, por eso no se presentan nunca
en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas las complicaciones (rápido
descenso de la resiliencia, entre otras) que tienen lugar en los metales BCC,
sobretodo en los aceros ferríticos.
Resistencia a la fatiga: la fatiga depende de una serie de factores. Además
de la composición, estado y procedimiento de obtención del material, hay que
considerar la clase y frecuencia de las solicitaciones y, especialmente, la
configuración de los elementos constructivos (distribución de fuerzas, tensiones
máximas, superficie). La denominación "resistencia a la fatiga" se utiliza como
concepto genérico para todos los casos de solicitud alternativas.
Para el aluminio el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los ensayos se
hacen casi siempre con 5 o 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de fatiga
alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye aunque se
utilicen métodos más precisos de medición. Se deben, principalmente, a
109
contingencias casuales que intervienen al originarse la primera fisura y prosiguen
en las fases iniciales de su expansión.
Influencia del material. La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la
formación de soluciones cristalinas, la conformación en frío y el endurecimiento.
En las aleaciones de aluminio para laminación y forja existe una clara diferencia
entre las no endurecibles y las endurecibles.
Influencia de la solicitación. Al juzgar los valores de la resistencia a la fatiga
se ha de tener en cuenta el tipo de solicitación (tracción, compresión, flexión
alternativa o rotativa) y, ante todo, la posición de la tensión media o la relación de
tensiones respectivamente. Además, se ha de observar atentamente si se da la
amplitud de resistencia a la fatiga o a la máxima tensión superior.
Además de los anteriores factores, también influyen en la resistencia a la
fatiga, los máximos de tensión o efectos de entalladura, el estado superficial y del
ambiente, la soldadura y la temperatura.
Mecánica de la rotura. Tenacidad: el comportamiento en cuanto a la
resistencia a la rotura de un material es importante. En los elementos de
construcción se presupone que existen siempre fisuras de un determinado tamaño
y que se dimensionan los elementos de tal modo que estas fisuras no sobrepasan
una magnitud crítica, dentro de un período de vida previsto y sobre todo, que no
aumenten de modo inestable. La carga puede ser monótona estática u oscilante.
También se puede tener en cuenta la carga de fluencia (método más apropiado
para los materiales de aluminio) o las grietas de corrosión bajo tensión.
El valor característico utilizado con más frecuencia es el de la tenacidad a las
fisuras K, definido para el estado de tensiones uniforme como la concentración de
tensiones crítica en la punta de la fisura, que ocasiona la continuación del
crecimiento de la misma. Los valores altos de K significan alta tenacidad, siendo
110
favorables, cuando también son elevados los valores de resistencia a la tracción y
el límite elástico.
Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de tracción y
la tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna dependencia. Desde el
punto de vista cualitativo, la tenacidad alas fisuras desciende al aumentar la
resistencia. El objetivo de la investigación de los materiales es desarrollar los que
tengan más resistencia y al mismo tiempo mayor tenacidad a la rotura.
Resistencia al desgaste: la resistencia a la abrasión o al desgaste de los
materiales de aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No
existe relación entre dureza y resistencia mecánica por un lado y resistencia a la
abrasión por el otro.
Los materiales de aluminio sometidos a rozamiento, en determinadas
circunstancias de funcionamiento, muestran un comportamiento aceptable como
prueban las numerosas aplicaciones que tienen en cojinetes de fricción y émbolos.
Debe mencionarse también que el desgaste se puede reducir drásticamente por
un tratamiento superficial apropiado.
5.3. INFLUENCIA DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y
MECÁNICOS EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS:
Deformación en frío: la resistencia a la tracción, el límite elástico 0,2% y la
dureza aumentan por deformación en frío, mientras que el alargamiento a la rotura
y la estricción a la rotura, disminuyen.
Mediante la deformación en frío se pueden modificar también otras
características como la conductividad eléctrica, que disminuye muy poco. La
influencia de una deformación en frío sobre la resistencia a la corrosión es escasa.
111
Ablandamiento: mediante recocido a elevadas temperaturas se elimina la
acritud en los metales deformados en frío, lo que supone, que el aumento de la
resistencia conseguida con la deformación en frío, se puede aminorar en mayor o
menor medida. Una eliminación total de la acritud hasta conseguir el estado inicial
se produce cuando el recocido se realiza a temperaturas por encima del umbral de
la recristalización. A temperaturas por debajo de este umbral aparece solamente
una eliminación parcial del ablandamiento (regeneración). Otras magnitudes que
influyen son: el tiempo de recocido, la velocidad de calentamiento y el estado de la
estructura antes de la conformación, es decir, los tratamientos térmicos y
mecánicos sufridos, a los que se le puede añadir el procedimiento de fundición
que se haya seguido en el material de partida.
Recocido de ablandamiento, estabilización: el recocido de ablandamiento
sirve para transformar materiales a un estado de resistencia muy baja y alto
alargamiento. Se realiza de ordinario para facilitar trabajos de conformación o para
hacerlos posible. En los materiales endurecidos en frío, el recocido de
ablandamiento consiste en un recocido de recristalización, habiendo de tenerse en
cuenta el tamaño de grano, la duración del recocido, el nivel del grado de
deformación en frío y los recocidos intermedios.
Normalizado: el normalizado sirve para la eliminación de tensiones propias,
que pueden surgir debido a un rápido enfriamiento de las piezas al colarlas, por
enfriamiento rápido después del proceso de endurecimiento o por trabajo
mecánico. Debido a las tensiones propias, pueden producirse deformaciones en
las piezas.
Las temperaturas a aplicar en el normalizado térmico son relativamente bajas,
ya que de otro modo hay que contar con una merma de la resistencia mecánica no
tolerable.
112
El tratamiento de normalizado es tanto más activo cuando más alta es la
temperatura y más largo el tiempo de recocido, aunque deben tenerse en cuenta
las posibles modificaciones permanentes de las propiedades del material. El
normalizado debe realizarse siempre antes de mecanizar la pieza o al menos
antes de la última operación, debido a que está ligada a una deformación
permanente.
Recocido total, homogeneización: con los recocidos totales se pretende
conseguir una eliminación de las tensiones propias del producto fundido, un
equilibrio de los granos segregados y una disolución de los constituyentes
estructurales eutécticos en los bordes de los mismos. Además el recocido total
sirve con frecuencia para conseguir una disgregación regular de elementos
disueltos en estado de sobresaturación, especialmente Mn y Fe, que influyen
sobre el comportamiento en la recristalización y en la conformabilidad en caliente.
Finalmente en las aleaciones endurecibles se consigue disolver los elementos de
aleación que provocan el endurecimiento. Estos se depositan de nuevo, en el
siguiente enfriamiento, que no suele ser rápido. Además si se realiza
correctamente el proceso, la distribución tiene lugar de tal forma que, mediante un
temple posterior, la disolución tiene lugar de forma rápida y total.
El recocido total puede colaborar, por lo tanto, a la disminución de las fuerzas
necesarias para la conformación en caliente, a una tendencia hacia el
ablandamiento uniforme y recocido de ablandamiento y a un mejoramiento de la
conformabilidad en frío.
Endurecimiento por precipitación: es el tratamiento térmico más importante
que se aplica a las aleaciones de aluminio. Este tratamiento eleva notablemente la
resistencia mecánica de las aleaciones de aluminio endurecibles por tratamiento
térmico.
El endurecimiento por precipitación tiene lugar, fundamentalmente en tres
fases:
113
1. Por calentamiento a temperatura elevada se disuelven en la solución
sólida de aluminio la mayor parte de los componentes de la aleación,
que provocan el endurecimiento (recocido de disolución).
2. Por enfriamiento rápido, la solución sólida, enriquecida en estos
componentes de la aleación se transforma, en primer lugar, en un
estado sobresaturado (temple).
3. Por permanencia, a la temperatura ambiente o a una temperatura más
elevada, se producen precipitaciones de la solución sólida
sobresaturada, que provocan un aumento de la resistencia a la tracción,
del límite elástico 0,2% y de la dureza (envejecimiento o maduración).
114
TABLA DE PROPIEDADADES
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Propiedades Atómicas N de masa. % Distribución de los Isótopos Naturales 27 100 Estructura Cristalina Cúbico cara
centrada Estructura Electrónica Ne 3s2 3p1 Función de Trabajo Foto-eléctrico ( eV ) 4,2 Número Atómico 13 Peso Atómico ( amu ) 26,98154
N. eV 1 5,99 2 18,8 3 28,4 4 120 5 154
Potencial de Ionización
6 190 Radio Atómico - Goldschmidt ( nm ) 0,143 Sección trans. de Absorción de Neutrones Térm ( Barns ) 0,232 Valencias indicadas 3
Propiedades Eléctricas Fuerza Electromotríz Térmica contra el Platino ( mV ) +0,42 Coeficiente de Temperatura a 0-100C ( K-1 ) 0,0045 Resistividad Eléctrica @20C ( µOhmcm ) 2,67 Temperatura Crítica de Superconductividad ( K ) 1,175
Propiedades Físicas Densidad @20C ( g/ cm-3 ) 2,70 Punto de Ebullición ( C ) 2467 Punto de Fusión ( C ) 660,4
Propiedades Mecánicas Estado del Material Blando Duro Policristalino Dureza - Vickers 21 35-48 Límite Elástico ( Mpa) 10-35 110-170 Módulo Volumétrico ( GPa ) 75,2 Módulo de Tracción ( GPa ) 70,6 Relación de Poisson 0,345 Resistencia a la Tracción ( MPa ) 50-90 130-195
Propiedades Térmicas Calor Específico a 25C ( J K-1 kg-1 ) 900 Calor Latente de Evaporación ( J g-1 ) 10800 Calor Latente de Fusión ( J g-1 ) 388 Coeficiente de Expansión Térmica @0-100C ( x10-6 K-1 ) 23,5 Conductividad Térmica a 0-100C ( W m-1 K-1 ) 237
116
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
117
Se puede concluir que durante todo el proceso del desarrollo de la prensa, se
observa que los resultados obtenidos son en gran medida los esperados para
nuestra pieza.
En el modelado de las piezas no hubo mucho problema, fue sencillo pero
importante, ya que para el análisis, los dibujos de las piezas se tienen que
exportar a Ansys Workbench y posteriormente a Ansys, es aquí donde se
presentan las advertencias, al mallar, colocar cargas y restricciones, que afectan
al análisis de alguna forma.
Durante el maquinado de las piezas, se pudo tener en cuenta en especial en la
máquina CNC, que es más conveniente realizar un maquinado en 2D que un
maquinado en sólido. Es más conveniente realizar el desbaste del cubo en el torno
para maquinar con las medidas lo más exactas que se pueda para al llegar a la
maquina CNC no perdamos tanto tiempo en realizar proceso de desbaste
innecesarios que nos retrazan.
Durante el análisis en Ansys, podemos concluir que se producen resultados lo
más aproximados a los obtenidos en los cálculos del experimento.
Hay que tomar en cuenta que estos resultados obtenidos en el experimento
pueden afectar los resultados por la variación de temperatura al colocar los
extensómetros, por la lectura en los tiempos de medición, o por la falta de
precisión en la calibración de los instrumentos. También por la colocación de las
galgas, puede ser que como la geometría es compleja, nos es fácil alinear los ejes
de referencia, afectando la posición de las galgas, o al pegarlas por la precisión de
la vista o por pequeños movimientos en la mano, suelen afectar el pegado.
En el proceso de control de calidad se puede ver que se debe llevar a cabo
cada etapa de manera controlada, ya que se pueden afectar muchos procesos
118
posteriores y al final el proceso completo de producción, que es lo más importante,
ya que es donde se cumple todo lo de ahorro de tiempo, materia prima y se
obtienen las ganancias.
En forma general podemos observar que todo este proceso esta afectado por
una cantidad de variables que se deben tomar en cuenta para que nuestras
mediciones reales sean los más aproximadas posibles a los cálculos estimados.
119
BIBLIOGRAFÍA
120
Bertoline, Wiebe, Miller y Moller / Dibujo en ingeniería y comunicación gráfica /
Editorial: Mcgraw Hill.
Edgar P. Popov / Mecanica de materiales / Editorial LIMUSA .
De Galiana Mingot Tomas / Pequeño Larousse de Ciencias y Técnicas / 8ª
Edición.
Juran / Manual de Control de Calidad.
SITIOS DE LA WEB:
Algunos sitios del INTERNET, donde se puede encontrar información sobre el
tema son:
• Ingeniería concurrente.
http://www.cc.gatech.edu/computig/SW_Eng/people/phd/ce.html
• Patentes. http://www.engin.umich.edu/facility/library/PTO/Patents/html
• Dibujos de patente a partir de archivos de computadora
http://www.pacificrim.net/~patents/graphic.html
• Manual multimedia de diseño en ingeniería
http://www.fen.bris.ac.uk/engmaths/research/dig/hbook/wecome.html
• Herramientas mentales
http://www.ketchum.com/public_relations/creative/brainstorm.html
• Datos CIM: Organización internacional que proporciona servicios de
consultaría técnica y de mercado a los usuarios y vendedores de tecnología
PDM y CAD/CAM. http://www.std.com/CIMdata/
• Índice de CAD relacionado con sitios de la Web e información útil.
http://www.webcom.com/%7Eimt/other.html
• Importancia de los programas CAD en la tecnología en diseño industrial:
Juan Alberto Mesa Plaza:
http://orbita.starmedia.com/~itmdiplomadospti/juanplaza/bibliografía#bibliograf
ía.
• INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA INDUSTRIAL
http://www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/introalaii.htm
