DISEÑO Y EVALUACIÓN DE PROTOTIPO PARA DOBLAR BARRAS DE ACERO DE ALTA RESISTENCIA Giovanni Vidal-Flores1, Martín Caudillo-Ramírez1, Miguel González-Valadez2, Benjamín Cruz-Cruz2, Jorge CoronaCastuera2, José Antonio Chávez-Espinoza3, Alfredo Jiménez-Ramírez3 1Instituto Tecnológico de Celaya, Departamento de Ingeniería Mecánica. Av. Tecnológico y A. García Cubas S/N, C.P.38010, Celaya, Guanajuato, México. E-mail:
[email protected] 2CIATEQ A.C., Departamento de Manufactura Virtual. Parque Industrial Bernardo Quintana, Av. Manantiales No. 23-A, C.P.76246, El Marques, Querétaro, México. E-mail:
[email protected] 3Resortes de Hidalgo S.A. de C.V., Departamento de Ingeniería Vicente Guerrero No. 26, Col. Miravalle, C.P. 42780, Tlahuelilpan, Hidalgo, México. E-mail:
[email protected]
Resumen La perspectiva actual en cuanto al uso de productos metálicos es de suma importancia, debida en gran parte a la amplia gama de aplicaciones que tienen en diversas industrias y a la viabilidad para ser conformados. En este sentido y dada la necesidad de crear formas complejas con barras de acero en una producción en serie y con exigencias de calidad, conlleva a la realización de un proyecto tecnológico cuyo propósito es el diseño, fabricación, puesta en marcha y evaluación de una máquina dobladora de barras de acero de alta resistencia. Se presenta el diseño de una máquina para doblar barras de acero 4140 de alta resistencia de hasta 1 pulgada de diámetro cuya metodología abarca desde la ingeniería conceptual hasta la fabricación, pruebas y evaluación de la misma. Para la ingeniería básica y de detalle se usaron herramientas de cálculo analíticas y por elemento finito para asegurar el cumplimiento de requisitos de seguridad, resistencia y desempeño. El diseño se realizó bajo el criterio de comportamiento elastoplástico de la barra con un torque estimado de 2210Nm comprobado experimentalmente en una maquina universal de ensayos de tracción/compresión. Los componentes críticos como la placa, rodillos y plato se diseñaron con el criterio de Von Mises. Finalmente la máquina se construyó con un servo de 15.5HP que ofrece un rendimiento de doblez a una velocidad de 50rpm para barras de hasta 5/8” de diámetro y a 25rpm para barras de 1 pulgada. Palabras clave: Máquina Dobladora, Prototipo, Momento Flexionante, Elastoplásticidad, Doblado en Frio
1. Introducción
2.
Actualmente, el uso de productos metálicos como hojas, barras y tubos es de gran importancia debido a la extensa variedad de aplicaciones que tienen en diversas industrias y a la facilidad para ser conformados [1]. Los avances en tecnologías de manufactura implican maquinaria cada vez más compleja pero que su uso está destinado a la producción en serie automatizada [2].
El resultado deseado de cualquier proceso de manufactura es lograr productos con la calidad deseada, al menor costo posible, que satisfagan la necesidad del cliente y en la cantidad adecuada. La metodología clásica empleada para desarrollar el concepto está basada en la expuesta por Ulrich-Eppinger [7], con el fin de obtener un diseño con base en la retroalimentación de operadores, técnicos, vendedores y clientes en cada etapa del desarrollo. El proceso de diseño comienza con la observación de las acciones que se realizan manualmente para fabricar el producto, analizar los puntos de mejora y visualizar posibles dispositivos que requiera la máquina. De esta parte se desprenden la ingeniería conceptual e ingeniería básica.
Sin embargo, existe la necesidad de crear piezas versátiles o de formas de alambre complejas previas a la producción para asegurar que los componentes encajen en el espacio requerido. El presente proyecto propone una alternativa tecnológica enfocada en la producción de piezas completamente personalizadas según sean las necesidades. Para la realización del proyecto se lleva a cabo una metodología de diseño que culmina con la comprobación del prototipo semi-automatizado para doblar barras de acero de alta resistencia hasta 1 pulgada de diámetro. La fase de diseño involucra selección e integración de componentes mecánicos y elaboración de nuevos dispositivos para conjuntarlos y lograr la función deseada. Durante el proceso de diseño se asegura que los componentes de la máquina sean compatibles y se acoplen bien para que interactúen de forma segura y eficiente [3].
2.1
Metodología de diseño
Ingeniería conceptual
Se hace una investigación del estado del arte para analizar los diferentes conceptos y los parámetros de desempeño de mayor impacto de máquinas existentes como son torque, potencia y velocidad de operación y de esta manera evitar conflictos por propiedad industrial. Se realiza el despliegue de la función de calidad (QFD) para conocer los requerimientos y trasladarlos a especificaciones de ingeniería, y con ayuda de un árbol de objetivos se determinan las áreas de intervención del proyecto (ver Figura 1), además de mostrar claramente las prioridades y las vías para lograrlas [8].
El conformado de piezas metálicas por doblado en frio incluye un proceso de deformación elastoplástica, en el cual el volumen del metal y la masa se conservan, y el metal se desplaza de una localización a otra [4].
Objetivos de desempeño
Así mismo, los parámetros fundamentales de conformado que intervienen en la calidad del proceso y del producto final son [5]:
Propiedades elastoplásticas del material Temperatura de conformado Grado de deformación Velocidad de deformación Geometrías (formas, secciones, holguras) Coeficientes de fricción
Durante la deformación plástica a temperatura ambiente, se somete al material a una tensión por encima de su límite elástico y que es menor a la resistencia a la ruptura, de esta manera el material responde con un endurecimiento durante su deformación, el cual depende de las propiedades mecánicas iniciales como lo son: la maleabilidad y la ductilidad, el grado y velocidad de la deformación y la temperatura [6]. El objetivo del presente proyecto es contribuir al incremento del nivel tecnológico de la industria metalmecánica mediante el uso de diversas disciplinas y tecnología de vanguardia.
Objetivos de durabilidad
Velocidad de operación de hasta 50 rpm Dobleces tridimensionales Selección de material resistente al desgaste
Control semiautomático
Uso de interface máquina-hombre HMI Doblar barras de acero hasta 1 pulgada Objetivos de diseño
Selección de servomotor y reductor Factores de seguridad de la estructura Fácil ensamble y desensamble Estimacion correcta del torque requerido
Objetivos de tiempo
Establecer plan maestro de actividades
Figura 1. Árbol general de objetivos.
Basado en los objetivos de diseño se realizan diferentes alternativas conceptuales como las mostradas en la Figura 2. La selección del diseño final se logra evaluando las particularidades relevantes de cada concepto utilizando una matriz de decisiones para comparar/eliminar de manera consecutiva los diferentes modelos (ver Tabla 1).
De acuerdo a la evaluación se determinó que la alternativa E es la opción que más se adecua a las necesidades planteadas. Las variables de diseño que deberán justificarse son:
Dimensiones y geometrías de los diversos componentes que conforman la máquina. Materiales de ingeniería empleados en los diversos componentes
Para ergonomía las Normas ISO-6385:2004 recomiendan que las dimensiones de la máquina deban acoplarse a las del usuario o tener capacidad de regulación dentro de los rangos indicados por los datos antropométricos [9]. Descripción de operación de la máquina La máquina se compone de varios sistemas y componentes: rodillo de arrastre, rodillo matriz, sistema motriz, plato rotativo, placa de trabajo como se muestra en la Figura 3.
Figura 2. Alternativas conceptuales que satisfacen las especificaciones y requerimientos. Tabla 1. Matriz de decisiones
Figura 3. Componentes principales de la dobladora (Vista seccionadafrontal).
El principio de doblez utilizado en el prototipo se asemeja al dispositivo patentado por Kilmer en 1880 [10], el cual involucra la deformación elastoplástica como método de conformado para obtener dobleces de formas de alambre. El mecanismo de doblez involucra un plato rotatorio en el cual se insertan dos rodillos para llevar a cabo el proceso de doblado por arrastre. El rodillo de arrastre gira en conjunto con el plato rotativo a un ángulo deseado. El momento flexionante necesario para doblar la barra es transmitido al plato a través de un reductor de velocidad de alta precisión conectado a un servomotor. La barra se apoya en el extremo contrario por un soporte que cuenta con un rodamiento que facilita el desplazamiento de la barra mientras es doblada. Al doblar el material se produce una deformación en la que las fibras exteriores se someten a estiramiento debido a un esfuerzo de tensión, mientras que las fibras interiores se comprimen debido a esfuerzos de compresión. El rodillo central sirve de mandril al mismo tiempo que determina el radio mínimo de curvatura de la barra.
Durante el proceso se genera un flujo plástico, es decir, se trabaja más allá de la zona elástica del material con respecto a su diagrama esfuerzo-deformación, razón por la cual las barras deberán ser lo suficientemente dúctiles para evitar la fractura. 2.2
Calculo de capacidad
transversal. Una vez ocurrido esto, se dice que la viga se ha deformado plásticamente, y la deformación presente en la viga ocurre a esfuerzo constante e igual a . Para obtener el momento plástico ( ) de la sección transversal de la barra se procede de la siguiente manera: ∑
Análisis numérico de momento flexionante Para lograr el doblado se requiere ejercer sobre la barra un momento flexionante que rebase el límite elástico del material pero que esté por debajo del esfuerzo último de ruptura. El metal probado es acero 4140 considerado de alta resistencia debido a su alta concentración de carbono. Las características más relevantes del acero AISI 4140 para el análisis en cuestión se presentan en la tabla 2. Tabla 2. Propiedades del acero AISI 4140.
Parámetros del material Esfuerzo ultimo a la tensión (MPa) Límite de fluencia (MPa) Módulo de Poisson Densidad (kg/m3) Módulo de elasticidad (GPa)
954.23 809.44 0.29 7850 210
∫
∫
∫ (1)
El módulo de sección plástica en la ecuación 1, es usado en materiales donde el comportamiento plástico dominante es irreversible. Su ubicación depende del eje neutral plástico (línea n-n de la Figura 4), el cual es el eje que separa la sección transversal de tal forma que la fuerza en el área de compresión es igual a la fuerza en el área bajo tensión. El módulo de sección plástica es la suma de las áreas de la sección transversal en cada lado del eje, multiplicado por la distancia del Centroide local, c, de las dos áreas al eje neutro (ver Figura 5).
Los materiales elastoplásticos obedecen la ley de Hooke hasta que el material alcanza su límite de proporcionalidad. Posteriormente, el material se deforma a esfuerzo constante, y con magnitud igual al esfuerzo de fluencia del material [11]. La resistencia plástica de una sección se obtendrá cuando todas las fibras internas alcancen la tensión del límite elástico, Para fines prácticos, la barra ha alcanzado su capacidad última de resistencia a los momentos en el eje neutro, y se puede idealizar la distribución última de esfuerzos conformada por dos secciones semicirculares (ver Figura 4).
Figura 5. Ubicación del Centroide de una sección semicircular, y un cuarto de sección circular
(2) De esta forma: ∫
( ) ( )
(3) Por simetría se considera que el momento plástico alrededor del eje Y es igual al ejercido sobre el eje Z. (4) Figura 4. Diagrama de fuerzas y momentos en la barra.
El esfuerzo de fluencia se propaga desde las fibras externas hacia el eje neutro de forma gradual, hasta que al final, los esfuerzos se distribuyen de manera uniforme y constante en ambos lados del eje neutro y perpendicular a la sección
Resolviendo para el momento flexionante en el rango plástico de la Ecuación 1. (5)
Al sustituir las propiedades del acero 4140 para una barra de 1 pulgada se obtiene lo siguiente: (
) (
)
Sin embargo, las propiedades del acero 4140 varían según el tratamiento térmico por lo que la resistencia varia de un lote a otro. Para evitar esta incertidumbre y posibles errores de análisis se agrega un factor de seguridad de 1.25 aproximadamente dando lugar a un valor de fluencia máximo de . De este modo, el momento flexionante en el rango plástico es: (
) (
Figura 7. Ensayo experimental para la obtención del momento flexionante.
)
Se requieren 2731 Nm para doblar una barra de acero 4140 de 1 pulgada de diámetro bajo este criterio de plasticidad uniforme. Estimación experimental del momento flexionante Se lleva a cabo un método empírico a fin de corroborar el momento flexionante necesario para doblar la barra. El ensayo se hace en base a la norma ASTM-E290 – “Ensayo de flexión para la ductilidad de metales”, de la cual se utiliza el método de doblez guiado [12], ver Figura 6. El experimento se hace con ayuda de una máquina universal de ensayos de tracción/compresión. Se ejerce una carga sobre la barra que aumenta gradualmente hasta pasar el límite de fluencia y lograr la plastificación al ángulo deseado, en este caso 90 ° como se muestra en la Figura 7.
Con una distancia entre apoyos de 177.8mm y un punzón de 1 pulgada de diámetro, los resultados arrojan una carga de 5000 Kg al pasar el límite de fluencia y una carga de 5600 Kg como carga constante antes de llegar a la ruptura. Con la ayuda de la ecuación 7 se puede determinar el momento requerido para doblar la barra. (7) De esta forma: (
)(
)
El resultado experimental muestra que el momento requerido para doblar la barra es de 2180.27Nm, valor por debajo del criterio de plasticidad. Una metodología más extensa para el análisis de esfuerzos residuales es presentada por Ledesma et al, 2010 [6]. Sistema de transmisión de potencia
Figura 6. Arreglo esquemático de la prueba de doblez guiado.
La distancia entre soportes de la probeta se ha normalizado en función del diámetro a fin de que la acción del esfuerzo cortante resulte prácticamente despreciable. De acuerdo a la norma, la distancia entre los soportes equivale a C de la ecuación 6, mientras que r es el radio del punzón y D representa el diámetro de la barra. (6)
El sistema de potencia debe ser capaz de cumplir con las necesidades de diseño de velocidad y torque. La selección del tren motriz se lleva a cabo combinando servomotores y reductores de velocidad utilizando los parámetros de ingeniería básica con ayuda de software especializado en el diseño y configuración de sistemas de transmisión. Un proceso meticuloso conlleva a la obtención del motor MPP1908P cuya curva característica torque-velocidad se muestra en la Figura 8. Los datos relevantes del servomotor son:
Par máximo (Nm): 156.09 Par nominal (Nm): 58.46 Velocidad máxima (rpm): 3800 Velocidad nominal (rpm): 2781 Potencia de salida (kW): 11.66
Para el cálculo del espesor se utiliza el criterio de esfuerzos Von Mises con el uso de ANSYS Workbench por el método del elemento finito, FEM [13 y 14]. Las condiciones de frontera para desarrollar el análisis de la placa incluyen:
Fuerza gravitacional, Fuerza en eje “Y” sobre el soporte del rodamiento obtenida del análisis de fuerzas por elemento finito,
Fuerza de reacción para mantener el equilibrio, aplicada sobre la brida de sujeción del reductor. Momento , necesario para doblar la barra, se obtiene considerando un valor por encima del calculado teóricamente y es aplicado sobre la brida. Momento , generado por la fuerza y la altura de la brida.
Figura 8. Curva característica Torque-Velocidad angular del servomotor MPP1908P.
El reductor de velocidad debe ser capaz de producir más de 2700Nm de torque nominal a bajas velocidades de operación de hasta 50 rpm. Las características del reductor TP500 seleccionado son:
La sección más esforzada se encuentra entre el orificio del plato rotativo y la zona de sujeción del tope. El valor máximo de esfuerzo es 164.57MPa (ver Figura 9).
Relación de reducción de velocidad: 61:1 Par de salida máximo (Nm): 9521 Par de salida nominal (Nm): 3566 Velocidad máxima de entrada (rpm): 3500
El diseño del reductor ofrece una velocidad máxima de entrada de hasta 3500 rpm con una relación de reducción de velocidad de 61:1, de esta manera trabajando a 3050 se logran 50rpm a la salida del reductor cumpliéndose un requisito de diseño. La selección del tren motriz mediante los requerimientos de torque y velocidad garantizan la repetitividad del conformado con una tolerancia de . 2.3
Calculo de resistencia
Diseño de la placa y brida de sujeción La fiabilidad de operación se logra evaluando esfuerzos y deformaciones de los componentes y seleccionando materiales que cumplan estos requisitos. La placa de trabajo es parte fundamental en el desarrollo de la máquina, ésta recibe fuerzas directas que se transmiten a través del rodillo de apoyo y se propagan en forma de esfuerzo a lo largo de su superficie. La placa es perforada con 213 orificios distribuidos estratégicamente para reducir el peso y que dichos orificios sirvan para el posicionamiento de herramentales como el tope del rodillo de apoyo y el transportador para los dobleces tridimensionales.
Figura 9. Distribución de esfuerzos sobre la placa después del análisis por elemento finito de acuerdo al criterio Von Mises.
Para fines de reducción de tiempo de cálculo, el análisis de la brida de sujeción del reductor se realiza en conjunto con la placa utilizando los mismos parámetros de diseño. El uso de acero estructural provee suficiente resistencia para satisfacer las máximas condiciones de carga. También se encontró por el mismo método que la máxima deformación es de 0.369mm, la cual está en el rango del .2%. Para la brida de sujeción se obtuvo un esfuerzo máximo de 126.16MPa, mismo que está por debajo del punto de fluencia del acero estructural de medio carbono. Bajo este mismo criterio se selecciona al acero ASTM-A36 para la fabricación de este componente. Diseño del plato rotativo y los rodillos Un diseño adecuado de los rodillos es crítico pues de estos dependerá el proceso de doblado y el porcentaje de productos dentro del rango de las especificaciones de
calidad. El análisis por elemento finito incluye la estimación de esfuerzo de los rodillos insertados en el plato rotativo. Las condiciones de frontera para este análisis son:
Contacto deformable entre rodillos y plato. La fuerza en el rodillo de arrastre es . La distancia entre rodillos es en base a los radios de curvatura. La fuerza de reacción en el rodillo central es del doble de en la misma dirección pero en sentido opuesto.
El esfuerzo puntual máximo al borde de los orificios donde fueron colocados los rodillos es de 804.43MPa, como lo muestra la Figura 10.
(a)
Figura 10. Distribución de esfuerzos sobre el plato rotativo después del análisis por elemento finito de acuerdo al criterio Von Mises.
La deformación del plato es de .06mm considerándose baja. El uso de acero de alto carbono AISI-4140 templado es suficiente para proveer de la resistencia necesaria para soportar el máximo esfuerzo. Utilizando los mismos parámetros del plato se desprende el análisis de los rodillos cuyos resultados son críticos pues se espera que sean capaces de doblar la barra sin sufrir grandes deformaciones. El esfuerzo máximo para el rodillo central es de 866 MPa localizado en el punto de contacto con la barra a una altura de 12.7mm a partir de la superficie del plato (ver Figura 11a), mientras que para el rodillo de arrastre es de 959MPa a la misma altura (ver Figura 11-b). Las deformaciones máximas encontradas son de .12mm y .276mm respectivamente. La selección de material requiere un acero grado herramienta que tenga muy buena resistencia al desgate y con una dureza muy alta para la fabricación de ambos rodillos.
(b) Figura 11. Análisis por FEM de acuerdo al criterio Von Mises. (a) Análisis de esfuerzo del rodillo central. (b) Análisis de esfuerzo del rodillo de arrastre.
El acero SISA-MET CR8 de metalurgia en polvo es un material ultra tenaz que cumple con las características adecuadas al ser altamente resistente al desgaste, 1930.53 MPa de resistencia a la fluencia [15]. 2.4
Otros componentes importantes
La selección del rodamiento del rodillo de apoyo se basó asumiendo una carga de diseño , igual a la resultante de las fuerzas en los ejes x y y del rodamiento obtenidas del análisis de fuerzas por elemento finito. De esta forma se calcula la vida del rodamiento [3]. ( )
⁄
(8)
La carga básica, Ca, se obtiene del proveedor y es definida como la carga axial de un valor constante en la misma dirección que la del eje central, por otro lado, n es la velocidad rotacional en rpm. La carga básica puede ser dinámica o estática dependiendo de la velocidad de operación, para este caso se considera estática debido a los ciclos cortos de operación de la máquina a bajas rpm, y despreciando la fricción. De esta forma, la vida del rodamiento al máximo de operación es de aproximadamente , por lo que si se reduce la velocidad a podemos incrementar la vida hasta en un 500%. 3
Fabricación y evaluación de desempeño
La fabricación de la máquina requiere de procesos de maquinado de alta precisión para poder ensamblar las piezas sin que existan interferencias. En esta fase ya se cuenta con un modelo virtual completo con restricciones geométricas y de espacio, tipo de material a utilizar, peso de la máquina, colores y acabado superficial. Con el prototipo terminado se observa la interrelación de las partes y sistemas y se hacen los cambios en el diseño necesarios a fin de que las partes interactúen en armonía, ver Figura 12.
Figura 13. Vista del prototipo en plena operación.
También se observa que el efecto de recuperación elástico varía para distintos tipos de materiales y diferentes diámetros, razones por las cuales habrá que restringir las velocidades de operación para diferentes materiales según su resistencia y diámetro y así evitar pérdidas de funcionalidad de los componentes del equipo mecánico por fatiga. Esto se concibe como un proceso de calibración para cada tipo de material. El sistema de potencia cumple con las necesidades de diseño como velocidad y torque. La productividad dependerá además de una adecuada velocidad de conformado de la habilidad del operador para suministrar y retirar el producto, por otro lado, la calidad dependerá del acabado superficial de los rodillos, el radio mínimo de curvatura y la velocidad de doblez. 4
Figura 12. Vista del prototipo instalado.
El siguiente paso es cargar el sistema operativo, verificar el funcionamiento del sistema de seguridad, interruptor principal, paro de emergencia, pedal de operación y hacer pruebas funcionales en forma ascendente para no comprometer la capacidad del equipo y confirmar su fiabilidad. La Figura 13 muestra la máquina en plena operación. Una primera prueba consistió en doblar una barra de ⁄ a , el torque de salida al reductor es de . Una segunda prueba fue doblar una barra de ⁄ a con un torque de salida de 826Nm. La última prueba fue doblar una barra de a , el torque de salida fue de 2684Nm. El valor incremento a más de 3000Nm cuando se aumentó la velocidad a 15rpm. Se observa entonces que a mayores diámetros y velocidades de operación el torque aumenta debido a la inercia del material y a la aceleración del plato.
Resultados.
Al momento de las pruebas se registró un tiempo de 1s aproximadamente para doblar una barra de ⁄ de diámetro a 90° con una velocidad de . Para elaborar una pieza con dos dobleces se requieren 36seg entre suministro, posición y operación, valor significativamente mayor comparado con un proceso manual que tarda 108seg en promedio para elaborar una pieza de las mismas características. La grafica de la Figura 14 muestra la relación entre el torque real y la velocidad de operación a las cuales fueron sometidas barras de 5 diámetros distintos, todas con la misma resistencia (Acero 4140). De la gráfica se observa que a bajas rpm el efecto de inercia tiene consecuencias menores sobre la operación de doblado y conforme aumenta la velocidad la barra presenta mayor resistencia. El motor es capaz de generar un par nominal hasta 3566.06Nm y un par máximo de 9521.49Nm, por lo que el consumo de torque a las máximas revoluciones para una barra de 1 pulgada representan un 54% de uso efectivo del servomotor.
Figura 14. Relación Torque real- velocidad de operación de la máquina para diferentes diámetros de barras
Tabla 3. Porcentaje de error para diferentes criterios de cálculo.
Diámetro de la barra Radio de curvatura Momento flexionante (in) (Veces el diametro de la barra) (Nm) Valor teórico (criterio de plasticidad) Valor teorico (Flexion elastoplástica) Valor experimental
Velocidad de operacion (rpm)
Porcentaje de error (%)
1
--
2731.17
--
3.14
1
1D
2997.99
--
8.9
1
1D
2684
1
0
Sin embargo, para aumentar la vida de la máquina será necesario trabajar en el rango nominal del reductor, es decir, limitando a 25rpm el doblado de las barras de una pulgada. Un estudio presentado en Colombia por Arzola et al, 2007 [5] sugiere un análisis optimizado de flexión elastoplástica del material de la barra y define la relación que existe entre el momento flector necesario para el doblado con las propiedades elastoplásticas, resistencia mecánica y geometría de la barra. Utilizando esta formulación se calcula el momento flexionante que incluye rango elástico y rango plástico y se comparan los resultados teóricos con los resultados experimentales para radios de curvatura de 1 veces el diámetro de la barra (ver Tabla 3). Se observa que a bajas revoluciones los valores se asemejan con un porcentaje de error del 3.14% para el criterio de plasticidad y hasta un 9% bajo el criterio de flexión elastoplástica.
Con estos resultados es posible hacer una tabla de recomendaciones de operabilidad donde se muestren variables controlables de diámetro de barra, diámetro de rodillo, velocidad de operación y torque requerido (ver grafica de Figura 15). La velocidad de operación se toma a criterio según los datos obtenidos experimentalmente con la finalidad de no poner en riesgo los componentes mecánicos, en particular al soporte del rodamiento, y de la misma forma evitar ensanchamiento de los orificios del plato y aumentar su vida útil. El diagrama de la Figura 15 muestra que es posible doblar barras de hasta 1-1/4” de diámetro para materiales con límite de fluencia hasta 500MPa a una velocidad de 1rpm utilizando un rodillo matriz de 2” de diámetro. Por otra parte, es posible trabajar hasta 50rpm con barras de 5/8” de diámetro utilizando un rodillo matriz de 1” de diámetro para materiales con elevada resistencia mecánica.
Figura 15. Diagrama de recomendaciones de operación para distintos diámetros de barras, diámetros de rodillos y velocidades de operación.
Por otra parte, tomando en cuenta que la potencia del motor es de 15.55HP aproximadamente, se puede calcular la velocidad de operación según el consumo de potencia del servomotor, de esta forma la gráfica de la Figura 16 muestra las velocidades a las que se puede trabajar sin poner en riesgo la seguridad del operario. Se observa que las velocidades son muy parecidas a las presentadas en la Figura 15 con la diferencia de que estas son para un solo tipo de material (Acero AISI-4140).
Es fácil demostrar entonces que el momento flexionante requerido para doblar barras con esta máquina varía según: 5
La resistencia intrínseca del material El radio mínimo de curvatura El diámetro de la barra La velocidad de operación Conclusiones.
Una máquina capaz de realizar dobleces versátiles y operar efectivamente a través del control de mando con el torque necesario para doblar barras de acero hasta 1 pulgada de diámetro ha sido diseñado, analizado y evaluado. Las pruebas de desempeño han demostrado que la velocidad de doblez para diámetros menores a 5/8” puede darse hasta 50rpm sin ningún problema, y para 1 pulgada se recomienda trabajar en el rango de 25 rpm para no poner en riesgo la resistencia mecánica de los dispositivos. Los parámetros calculados en todo el proceso de diseño servirán de base para futuras optimizaciones de la máquina. El desempeño de la máquina es comparable a las máquinas disponibles comercialmente pero las cuales no cumplen con las especificaciones y requerimientos aquí desarrollados. La innovación presentada es el escalamiento de máquinas comerciales de menores capacidades para que respondan a nuevos necesidades utilizando tecnologías de Figura 16. Diagrama de uso recomendable para la velocidad de operación según la potencia del servomotor.
precisión de doblez en tiempos mínimos que sin lugar a duda aumentaran la productividad. 6
Nomenclatura
una viga simplemente apoyada de material elastoplástico”. Memorias del XII congreso anual SOMIM, Septiembre 2006, Acapulco, Gro. México. [5] Arzola, Nelson, Andrés Tovar, and Alexander Gómez. "Rediseño y optimización de una máquina dobladora de barras de acero." Revista Ingeniería y Competitividad 9.2 (2011): 7-19. [6] Ledesma, Orozco, E., Vidal, Lesso, A., Cortés, Pérez, A. R., Villalobos, Llamas, G., & González, Barbosa, E. A. "Análisis teórico-experimental y simulación numérica de la flexión inelástica". Memorias del XVI congreso internacional anual de la SOMIM, Septiembre 2010, Monterrey, Nuevo León, México [7] Ulrich, Karl T., Steven D. Eppinger, and Rebecca Virginia Madrigal Alvarez. Diseño y desarrollo de productos: enfoque multidisciplinario. McGraw-Hill, 2004.
Agradecimientos Se agradece el apoyo de las instituciones CONACyT y CIATEQ, A.C. por su valiosa cooperación en el desarrollo de este proyecto, y a las instalaciones y personal del Instituto Tecnológico de Celaya por la cooperación brindada. Referencias [1] Dieter, George Ellwood. Mechanical metallurgy. Vol. 3. New York: McGraw-Hill, 1976. [2] Aragón, González, G., Canales, Palma, A., León, Galicia, A., & Morales, Gómez, J. R. "Design of a torque generating mechanism". Journal of Applied Research and Technology 5. No. 02, 2009. [3] Mott, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. Pearson Educación, 2006. [4] Hernández, A. I., Juárez, R. H., Ledesma, O. E., Aguilera, G. E., “Análisis de la recuperación elástica en
[8] Cross, Nigel, and Nigel Cross. Engineering design methods: strategies for product design. Vol. 58. Chichester: Wiley, 2000. [9] ISO 6385:2004 - Ergonomic principles in the design of work systems, 2004. [10] Kilmer, Irving A. "Wire-Bending Machine." U.S. Patent No. 235,538. 14 Dec. 1880. [11] Timoshenko, Stephen P., James M. Gere, and Francisco Paniagua Bocanegra. Mecánica de materiales. Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana, 1974. [12] ASTM-E290 – Ensayo de flexión para la ductilidad de metales, 8 p., 2004. [13]
Stolarski, Tadeusz, Y. Nakasone, and S. Yoshimoto. Engineering analysis with ANSYS software. Butterworth-Heinemann, 2011.
[14] Moaveni, Saeed. Finite element analysis: theory and application with ANSYS. Pearson Education India, 2003. [15] Cat. SISA-METCR8 12/12, Servicios Industriales, S.A.
