BATIDORA INDUSTRIAL
DAVID GÓMEZ JIMÉNEZ (
[email protected]) 20 de enero de 2006
David Gómez Jiménez (02182)
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INDICE DE CONTENIDOS 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
Resumen de características básicas Elementos estudiados Alternativas de referencia en el mercado Serie, lotes y a producir, cadencia de producción y periodo en el que se completan Precio y coste estimados Principales prestaciones (funcionalidades) del producto y características diferenciadoras Mercados objetivo
3 3 3 3 3 4 5
2. 2.1.
Producto EDP del producto
5 6
3. 3.1. 3.2.
Componente crítico Para la 'alternativa-a-desarrollar': Orígenes de elementos y razones para tal elección:
6 7 10
4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
Par funcional (dentro del componente crítico) Procesos de fabricación Procesos de montaje Procesos de inspección Criterios de ponderación de la utilización de recursos
10 24 28 30 34
5. 5.1. 5.2.
Valoración del trabajo Medios empleados en el trabajo Actividades realizadas y valoración
35 35 36
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1. Resumen de características básicas Producto: Batidora Industrial para uso alimentario (B000) Componente crítico: Árbol de transmisión (B0300) Par funcional: Acoplamiento Eje-Rueda: Rueda35d (B0304), árbol piñón (B0301), chaveta (B0308) Enunciado específico: 1.1. Elementos estudiados Producto Maquina industrial formada en su mayor parte por componentes mecánicos: ejes, engranajes, carcasas, tornillos, manguitos, recipientes, etc. Y en su menor parte elementos eléctricos como el motor, condensador, cable, etc. La funcionalidad es batir productos alimentarios por lo que ha de cumplir un requisito higiénico y de seguridad añadido. Componente crítico Árbol de transmisión formado por un eje, ruedas con engranajes rectos, rodamientos, chavetas y retenes. Todos son elementos de fabricación mecánica. Par funcional Acoplamiento entre cubo y eje, con la misión de impedir el movimiento relativo de giro entre ambos soportando las tensiones generadas por la potencia trasmitida. 1.2. Alternativas de referencia en el mercado Así como en el sector domestico hay muchos productos sustitutivos, en el mercado de las batidoras industriales existe una amplia variedad de productos con características no muy similares. Podemos citar como alternativas la serie de batidoras de SANTOS S.A., con sus series Nº33 (Bar Blender), Nº27 (Planetary mixer) o su más reciente serie Nº37 o Santosafe (Mixer). Por otro lado GRUCARO S.A. nos ofrece una amplia gama de batidoras de una gama y precio superiores (desde 12 hasta 100 litros, con potencia de 15CV). Tampoco podemos olvidar a Dinasty con su serie BM (desde 10 a 40 litros) o a Sistema con su trituradora. 1.3. Serie, lotes a producir, cadencia de producción y periodo en el que se completan La serie total se compone de diez mil unidades distribuidas de la siguiente forma: Una preserie de 5 unidades para comprobar el correcto diseño y funcionamiento, y preoptimizar la cadena de producción. (1 mes) Un lote inicial de 100 unidades para observar el impacto en el mercado. (1 mes) Si este es el esperado, series de 2000 unidades ordenadas en lotes de 100 unidades, (durante cinco años). Tras este periodo revisión del producto y nueva gama. 1.4. Precio y coste estimados Producto desarrollado El costo del producto viene detallado por conjunto en el archivo costos.xls. Se distinguen varios orígenes para cada pieza: fabricación propia (lo fabrica por entero nuestra empresa), comprado (se compra bajo catálogo a otra empresa), subcontratado (se manda fabricar a medida a otra empresa). Con respecto a los costes de fabricación y subcontratación, se ha hecho una estimación general, en base a los catálogos consultados. Se incluye el material usado en cada pieza y la cantidad de piezas iguales para cada conjunto. Se especifica el coste unitario y el coste parcial de cada conjunto. Para calcular los costes de montaje e inspección, se ha seguido el criterio de aplicar sobre el coste parcial de fabricación o compra un 20% para el montaje y un 10% para la inspección. Esta ponderación de costes incluye los costes asociados a los operarios, la amortización de los locales,
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almacenes y demás instalaciones en general, así como los suministros. Al costo total del producto se ha añadido un 15% en concepto de costes de diseño (que incluye el costo de ingeniería, etc.) y otro 15% en concepto de costos de comercialización, que incluye los costos administrativos, de publicidad, etc. Los costos de transporte asociados a la recepción de materias primas y piezas se han imputado al coste de cada pieza. Producto de la competencia Se han consultado las distintas empresas que suministran productos similares al que pretendemos elaborar. Cómo se ha dicho hay que tener presente que muchos de estos productos no son comparables porque ofrecen prestaciones distintas y por eso la gran variabilidad del precio: GRUCARO SA
www.grucaro.com
Grupo Casa Rodríguez
Santos SA
www.santos.fr
Sistema
BATIDORA DE MESA 12 LTS SIN CABEZAL CON CAZO DE ACERO (Ver tabla, archivo GRUCARO_BATIDORAS.XLS) COMPLETE SANTOSAFE 4L CONTAINER STAINLESS STEEL Trituradora 270 w
24000€
302.02€ 250€
Componente crítico El coste del componente crítico se puede ver englobado en el coste total del producto. Ver costos.xls Par funcional Ver en el apartado 4 el Estudio de Costes 1.5. Principales prestaciones (funcionalidades) del producto y características diferenciadoras Se trata de una batidora de construcción robusta (piezas de fundición de aluminio y chapa de acero inoxidable). Es una máquina altamente fiable y de diseño avanzado, muy bien adaptada para batir y mezclar todo tipo de masas. Equipada con un potente motor, cuenta con 3 velocidades diferentes y varios accesorios (un gancho, una paleta o un batidor, según el alimento a preparar) construidos en aleación de aluminio en cumplimiento de las normas de higiene. En el equipamiento de serie se incluye una rejilla de seguridad y un temporizador. La batidora va provista de un interruptor ON-OFF y un botón STOP de emergencia que controlan el funcionamiento de la máquina. El temporizador se utiliza conjuntamente con el interruptor de puesta en marcha para trabajos de tiempo definido. La batidora se parará automáticamente cuando haya transcurrido el tiempo programado en el temporizador. La palanca de cambio de velocidad permite utilizar la velocidad adecuada para cada tipo de emulsión. El cambio de velocidad se debe hacer siempre con la máquina parada girando la palanca en el sentido adecuado. Cada útil está pensado para cada tipo de producto a procesar y a la velocidad adecuada, (por ejemplo el gancho es para productos de alta viscosidad y velocidades bajas como la masa del pan, el batidor para viscosidades bajas y altas velocidades, como montar nata, y la paleta para velocidades y viscosidades medias). Los útiles han de ser montados con la maquina parada y con el soporte del caldero bajado. El soporte del caldero se regula en altura con otra palanca, de forma que se pueda ajustar a los útiles de batir. Para añadir alimentos se puede hacer bien bajando el soporte o a través de la rejilla de seguridad, que deberá estar bajada para que la máquina se ponga en marcha. La batidora cumple con las normativas:
NF EN 454 : 2000 Máquinas para los productos alimentarios – batidoras mezcladoras NF EN 12852: 2001 Máquinas para productos alimentarios- Aparatos de preparación culinaria y batidoras. EN 292-1 2 Seguridad de la máquinas – Principios generales de diseño
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EN 60204-1:1998 generales
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Dispositivos de seguridad de las máquinas – Equipamiento eléctrico de las máquinas – Reglas
1.6. Mercado objetivo El mercado objetivo al que se destina es el profesional: restaurantes, pastelerías, hoteles, heladerías, cafés, y en general todo tipo de establecimientos con fines alimentarios.
2. Producto Croquis, boceto o imagen del producto
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Listado de los componentes principales Se pueden consultar en el documento de Excel adjunto: ListaPiezas.xls Definición de la 'alternativa-1' del producto Rejilla de seguridad desplazable, para añadir productos grandes. Mientras está abierta, la máquina permanece parada. Regulación de velocidad mediante árbol de engranajes. (con embrague) Se presenta en los voltajes: Monofásico. Dos voltajes (220/120), Trifásico (380V) Definición de la 'alternativa-2' del producto Rejilla de seguridad fija. No se puede mover. Regulación de velocidades por medios eléctricos: mediante un variador de frecuencia. Se presenta en los voltajes: Monofásico. Dos voltajes (220/120) Definición de la 'alternativa-a-desarrollar' del producto De las dos alternativas planteadas se elige la primera de ellas, porque permite una mayor funcionalidad del producto al poder desplazarse la rejilla de seguridad, pero siempre garantizando la seguridad (la máquina se para). Además la regulación de velocidad es más fiable al hacerse por medios mecánicos (árbol de engranajes frente a regulador de frecuencia) y con menor coste de producir (variador de frecuencia caros). También se habilita la opción de corriente trifásica para dar servicio a empresas que trabajen con esta tensión. 2.1. EDP del producto Se pueden consultar en el documento de Excel adjunto: EDP.xls
3. Componente crítico El componente crítico es el árbol de transmisión (B0300). De los diversos componentes que forman el producto, uno de los más habituales son los árboles encargados de transmitir el movimiento desde el motor eléctrico a los útiles de la herramienta. Si la fabricación de estos árboles no es adecuada la máquina puede no funcionar, y además su duración y fiabilidad viene condicionada por ellos. Su correcta geometría y lubricación, conseguirá que el producto dure la vida útil asignada. De entre los varios árboles que existen, se ha seleccionado como el más critico el árbol de transmisión puesto que, al ser un árbol intermedio, estará solicitado con pares y velocidades medias, que en conjunto determinarán una solicitación mayor (tiene que aguantar pares y funcionar correctamente a diversas velocidades). Definir 'alternativa-1' Árbol formado por tres ruedas extraíbles y cojinetes en los extremos. Definir 'alternativa-2' Árbol formado por dos ruedas extraíbles más piñón tallado y rodamientos autolubricados en los extremos. Definir 'alternativa-a-desarrollar' Con la primera opción, ganamos en costes de fabricación, puesto que es una opción más sencilla, (tenemos tres ruedas extraíbles y un eje), además de tener cojinetes (de película hidrodinámica) en los extremos, que son más baratos. Por el contrario tenemos que disponer un sistema de lubricación para engrasar estos cojinetes, además de generar una unión más robusta y precisa con las tres ruedas. La segunda opción es más cara a la hora de fabricar, puesto que exige tallar el piñón directamente en el eje (con lo tenemos que partir de un redondo de mayor diámetro y por
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tanto más caro). Los rodamientos son autolubricados y los compramos por catálogo. Como ventaja no hemos de disponer de sistema de lubricación adicional, y que se trata de un árbol muy robusto al tener tallado el piñón. De las dos alternativas, se opta por la segunda, puesto que al tratarse de un producto destinado al procesamiento de alimentos, tenemos que garantizar totalmente la higiene. Con un sistema de lubricación, siempre puede haber riesgo de pérdidas de aceite que afecten a los alimentos, además de exigir un mantenimiento más estricto, y que si no se lleva a cabo correctamente, pueda acortar la vida útil de la máquina. 3.1. Para la 'alternativa-a-desarrollar': Definir funcionalidad La función del árbol de transmisión(B0300) es hacer de enlace entre la polea de engranaje(B0400), que a su vez conecta directamente del motor eléctrico, y el árbol planetario(B0200), que por medio del conjunto variador de velocidad(B0700) es el encargado de suministrar al conjunto planetario(B0800) la potencia a la velocidad adecuada. Sus solicitaciones funcionales son: Vida útil 10 años
Potencia a transmitir 800w
Velocidad de giro 640rpm
Par 12N.m
Definir conjunto El árbol de transmisión es en esencia un eje con unos engranajes. Del cálculo de la resistencia de los materiales y de recomendaciones sacamos cómo ha de ser su definición geométrica. Y para materializarlo en la realidad se necesitan otros elementos que permitan su función. Necesitamos rodamientos que generen el par cilíndrico necesario para el giro del árbol. Necesitamos también de las chavetas que interfieran entre eje y rueda impidiendo su movimiento relativo. Los retenes y separadores sirven para acoplar todos los elementos dando al conjunto la integridad necesaria. En la tabla siguiente se pueden ver algunas propiedades físicas de las piezas: Número
Designación
Material
Origen
Cantidad
Masa(Kg.)
3
Volumen(mm )
árbol de
B0301
árbol piñón(22d)
acero
subcontratado
1
3,171
404841,39
transmisión
B0302
rueda 47d
acero
subcontratado
1
2,469
315265,70
(B0300)
B0303
reten STWS-35
acero
comprado
2
0,004
523,12
B0304
rueda 35d
acero
subcontratado
1
1,359
173560,04
B0305
rodamiento B6207ZZ
acero
comprado
1
0,314
40124,39
B0306
rodamiento B6207ZZ
acero
comprado
1
0,314
40124,39
B0307
reten STWS-45
acero
comprado
1
0,007
929,22
B0308
chaveta KES12-25
acero
comprado
2
0,017
2137,12
B0309
espaciador SWSC45-35-T5
acero
comprado
2
0,024
3029,54
7,725
986224,67
total
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Croquis del conjunto
Diseño de detalle En los planos se define geométricamente cada pieza, sus tolerancias y acabados superficiales. Las imágenes de los planos y de las piezas se pueden ver en los archivos adjuntos: Número B0300 B0301 B0302 B0303 B0304 B0305 B0306 B0307 B0308 B0309
Designación árbol de transmisión árbol piñón(22d) rueda 47d reten STWS-35 rueda 35d
Plano Imagenes\B0300.jpg Imagenes\B0301.jpg Imagenes\B0302.jpg Imagenes\B0303.jpg Imagenes\B0304.jpg
Pieza Imagenes\B0301pie.jpg Imagenes\B0302pie.jpg Imagenes\B0303pie.jpg Imagenes\B0304pie.jpg
rodamiento B6207ZZ
Imagenes\B0305.jpg
Imagenes\B0305pie.jpg
reten STWS-45 chaveta KES12-25 espaciador SWSC45-35-T5
Imagenes\B0307.jpg Imagenes\B0308.jpg Imagenes\B0309.jpg
Imagenes\B0307pie.jpg Imagenes\B0308pie.jpg Imagenes\B0309pie.jpg
Conjunto Imagenes\B0300con.jpg
Notar que los engranajes están representados de forma simplificada en los archivos de pieza y conjunto, aunque en los planos se representan de la forma convencional. Se incluyen sus características (modulo, diámetro primitivo etc.) en las tablas presentes en los planos. Las imágenes son capturas de pantalla de los las pieza y del conjunto que han sido realizados en Solid Edge v17 (versión académica). Procesos de fabricación Para fabricar las piezas seguiremos los siguientes pasos: Árbol piñón (B0301): 1. Partimos de redondo de acero de 74mm de diámetro y realizamos un torneado de desbaste (en torno) para conseguir la geometría con índice de tolerancia (IT) entre 11 y 13. 2. Tallamos el engranaje en una máquina de talla por cremallera. 3. Torneado de acabado para conseguir un IT entre 7 y 9 para toda la pieza y cilindrado de los asientos de rodamiento. 4. Fresado de los chaveteros con IT entre 7 y 9. 5. Acabado (abrasión) de los dientes de engranaje para conseguir la especificación indicada (Ra=0.3).
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6. Rectificado (abrasión) de las partes indicadas en plano para conseguir el acabado superficial indicado en las marcas (asientos de rodamientos) Rodamientos (B0305 B0306): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Moldeado de aros interior y exterior Torneado de desbaste aros interior y exterior(IT11) Torneado de acabado aros interior y exterior(IT9) Rectificado aros interior y exterior(IT5) Molde de bolas Acabado (abrasión) de bolas para conseguir tolerancias y rugosidades adecuadas. Bruñido(IT4) Jaula de bolas por estampación y doblado de chapa Estampación de chapa para los cierres del rodamiento autolubricado Montaje del rodamiento (colocación de bolas en jaula y introducción entre los aros, colocación de cierres) Introducción de lubricante y remache del rodamiento para que quede cerrado
Anilla de seguridad o retenes (B0303 B0307): 1. Corte de chapa con la preforma de la anilla 2. Taladrado de pequeños agujeros(IT11) Ruedas (engranajes B0302 B0304): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Moldeado de las ruedas Torneado de desbaste(IT11) Tallado de los engranajes en una máquina de talla por cremallera. (IT11) Taladrado de agujeros internos(IT11) Torneado de acabado(IT8) Fresado de ranura de chaveta(IT8) Acabado (abrasión) de los dientes de engranaje con(IT5)
Chavetas (B0308) 1. Moldeado de las piezas en racimo 2. Corte de piezas en molde 3. Fresado de desbaste y acabado(IT8) Espaciador (B0309) 1. Se parte de tubo de las mismas dimensiones interiores y exteriores, y se corta la anchura T 2. En fresa se desbarba y se hace chaflán interior
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Procesos de montaje A la vista del plano explosionado se describe el proceso de montaje:
1. Introducir SWSC45-35a hasta que alcance el tope del árbol piñón (a mano) 2. Montar a presión B6207ZZa hasta que alcance SWSC45-35a (ayudado de martillo de teflón o prensa) 3. Abrir arandela STWS-35a y depositar sobre la ranura del árbol piñón (con tenazas) 4. Introducir KES12-25a en el hueco correspondiente del árbol piñón (a mano) 5. Introducir rueda 47d haciendo coincidir el hueco de la chaveta de la rueda con KES12-25a (a mano o ayudado con martillo de mano) 6. Abrir arandela STWS-45 y depositar sobre la ranura del árbol piñón (con tenazas) 7. Introducir KES12-25b en el hueco correspondiente del árbol piñón(a mano) 8. Introducir rueda 35d haciendo coincidir el hueco de la chaveta de la rueda con KES12-25b (a mano o ayudado con martillo de mano) 9. Introducir SWSC45-35b hasta que alcance el tope del árbol piñón (a mano) 10. Montar a presión B6207ZZb hasta que alcance SWSC45-35a (ayudado de martillo de teflón o prensa) 11. Abrir arandela STWS-35b y depositar sobre la ranura del árbol piñón(con tenazas) Procesos de inspección en detalle, coste detallado de inspección, tiempo detallado por proceso, equipos, útiles, instalaciones de inspección detallados La totalidad de las piezas que forman nuestro conjunto son adquiridas, bien subcontratadas a otra empresa o bien compradas directamente de catálogo. Por eso la inspección la hemos de realizar cuando recibimos las piezas, antes de introducirlas en el proceso productivo (control de recepción). Para cada pieza existen unas especificaciones que ha de cumplir y el proceso de inspección se elabora para verificar el correcto estado de la pieza. Para ello elaboramos unas tablas (Gama del proceso de Inspección) que detallan las cotas a medir, los instrumentos utilizar y los tiempos empleados. Con los tiempos y las máquinas empleadas elaboramos el coste multiplicándolo por la amortización y los costes horarios de personal correspondientes. Un ejemplo de este estudio se puede ver en el apartado 4 para el par funcional. El croquis de la disposición en planta se puede ver en al apartado 4.3 3.2. Orígenes de elementos y razones para tal elección: Cómo se pude ver en la definición del conjunto (punto 3.1) los materiales y orígenes de las piezas son:
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Número
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Designación
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Material
Origen
B0301
árbol piñón(22d)
acero
subcontratado
B0302
rueda 47d
acero
subcontratado
B0303
reten STWS-35
acero
comprado
B0304
rueda 35d
acero
subcontratado
B0305
rodamiento B6207ZZ
acero
comprado
B0306
rodamiento B6207ZZ
acero
comprado
B0307
reten STWS-45
acero
comprado
B0308
chaveta KES12-25
acero
comprado
B0309
espaciador SWSC45-35-T5
acero
comprado
El material empleado es el acero que por resistencia de materiales garantiza el cumplimiento de las solicitaciones a las que va ha estar sometido y además es un material relativamente barato. Para las rodamientos, retenes y chavetas, como son productos estandarizados y disponibles en multitud de formatos y por numerosos proveedores se ha optado por comprarlos de catálogo (en concreto se han sacado del catálogo MISUMI, ver bibliografía). En este caso resulta mucho más rentable comprarlos que fabricarlos puesto que las empresas que los fabrican son expertas en ello. Disponen de maquinaria para grandes series que abaratan los costes y tienen procesos de inspección que logran una calidad difícil de alcanzar en nuestra empresa a menos que empleemos unos recursos desorbitados. Aunque nuestra empresa tiene la capacidad de fabricar ejes por torneado, tanto para el árbol piñón como las ruedas se ha elegido la subcontratación a una empresa especializada en la fabricación de engranajes. Con esto logramos abaratar los costos que supone una máquina de tallar engranajes, así cómo los operarios necesarios y los costes de inspección asociados, además de conseguir alta calidad. Nuestra empresa se centra más en montar los distintos componentes, de forma automática y eficiente, comprobar el producto y venderlo.
4. Par funcional (dentro del componente crítico) Definir Se trata del acoplamiento entre el árbol piñón (B0301) y la rueda de 35 dientes (B0304), para lo que también es necesaria la intervención de la chaveta (B0308). La misión es impedir el movimiento relativo de giro entre ambos soportando las tensiones generadas por la potencia trasmitida. Listado de piezas y planos de cada pieza Número B0301 B0304 B0308
Designación árbol piñón(22d) rueda 35d chaveta KES12-25
Plano Imagenes\B0301.jpg Imagenes\B0304.jpg Imagenes\B0308.jpg
Pieza Imagenes\B0301pie.jpg Imagenes\B0304pie.jpg Imagenes\B0308pie.jpg
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Plano de montaje Se puede ver el explosionado del par:
Funcionalidad del par El par funcional ha de garantizar el acoplamiento entre la rueda y el eje, con la capacidad de poder transmitir el par nominal al que va ha estar sometido. Vida útil 10 años
Potencia a transmitir 800w
Velocidad de giro 640rpm
Par 12N.m
Criterios de diseño del par Primero se citarán los criterios generales que se emplean para diseñar cada pieza que compone el par, para finalmente describir los criterios empleados en el par. Criterios del árbol: • Estáticos o Máxima tensión de Von Mises equivalente menor que el límite elástico en cada sección. o Deformación máxima debida a flexión en los extremos menor que la tolerada por los rodamientos rígidos de bolas. (
