MEMORIAS DE LA XXI EXPODIME 5 al 8 DE NOVIEMBRE 2012, GUADALAJARA, MÉXICO
ROLADORA DE PERFILES Covarrubias Martínez Ramón Alberto, Ramírez López Joel, Ramírez Salazar Universidad de Guadalajara, CUCEI, Departamento de Ing. Mecánica Eléctrica Av. Revolución 1500 Puerta 10, CP 44430, Guadalajara, Jalisco, México. Tel. (33) 1378 5900 extensiones 27706 y 27707
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RESUMEN
Se ha realizado de forma exitosa una maquina Curvadora de perfiles, ideal para rolar perfiles y tubos, el tema fue desarrollado gracias a una tercera persona que nos expuso su necesidad de tener un equipo capaz de arquear materiales evitando cortes, golpes, aplicación de calor, plantillas que llevan mucho tiempo en su elaboración cuando solo eran requeridas el mínimo de piezas, con la construcción de esta herramienta se ha logrado evitar torceduras, deformaciones, laceraciones y desperdicio de material por errores y mal manejo del mismo. La forma de desarrollo comenzó con una firme base de conocimientos, pero no todo lo aplicado ahora es por conocimientos previos, muchos de ellos fueron adquiridos durante la construcción de la maquina, así que partimos por buscar información, una vez recopilada, se realizaron cálculos de varias alternativas de diseño, se evaluaron los siguientes puntos: Mejor calidad, mayor ciclo para mantenimiento, mayor facilidad para operario, piezas y refacciones estándar, mayor ahorro en fuentes de energía, menor riesgo de operación, menor espacio, menor costo de fabricación y por efecto menor precio de producto final. Con un solo objetivo establecido nos dimos a la tarea de comprar los elementos primarios para su funcionamiento, ya con las piezas creamos un cronograma y fijamos metas con tiempos y avances. Se crearon planos de fabricación, para las piezas que requerían modificación, tornería, rectificación y cuerdas, por ejemplo: poleas, catarinas, flechas y rodillos con los que se hace el rolado, con las piezas ya habilitadas se ejecuto la instalación y fijación de los elementos. Armada la maquina se realizaron pruebas para posibles fallas las cuales salieron al instante, cadenas con holgura, rodamientos y baleros no perfectamente fijos, falsos contactos. Solucionados los problemas se reiniciaron las pruebas sin ningún problema. Por fin, el esfuerzo, dedicación y las ganas de ver realizada lo que en un principio fue una idea, estaba funcionando mejor de lo esperado.
ANTECEDENTES: El presente trabajo tiene como finalidad trabajar de lo mas fácil posible. Para ello se ha recurrido a manuales, consumo de energía eléctrica, manuales sobre las propiedades físicas de materiales Derechos reservados © 2012, U de G [1]
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ferrosos, tales como el acero.
Con el presente Diseño pretendemos llegar a obtener alternativas que nos permitan mejorar la calidad de trabajo en toda su extensión posible, entre ellos está la disminución del peso de los ejes, la estructura, el motor, reductor, catarinas y cadenas. Lo cual repercutirá directamente en un ahorro de energía y abaratamiento de los costos de producción.
El trabajo que se expone a continuación, es un compendio de todo el proceso seguido durante el diseño mecánico orientado a la obtención de una máquina Roladora. Se muestra el camino recorrido iniciado con la ubicación de una necesidad, el proceso seguido durante la búsqueda de la solución al problema de cómo rolar los materiales, hasta la consecución de la respuesta adecuada a la necesidad. El diseño de maquinas Roladora, tendrá como lineamiento principal, la búsqueda de la simplicidad del producto, manteniendo como objetivo la elaboración de una herramienta de trabajo para el publico en general, la cual pueda satisfacer la necesidad planteada, ser asimilada con facilidad y así conseguir la difusión de esta herramienta.
La propuesta aquí presentada, busca impulsar la implementación y utilización de la tecnología mejorada aplicada en los procesos productivos empleados en la actualidad por el herrero. Con la implementación de nuevas tecnologías, perseguimos el mejorar las condiciones de trabajo en algunos talleres de soldadura, impulsando su producción y consecuentemente su desarrollo.
DESARROLLO:
CALCULO POLEAS Y BANDA.
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Fig.1.1 Poleas con banda Para la banda: Sumar la circunferencia de las dos poleas, dividir el resultado entre dos, medir la distancia entre ejes y multiplicarlo por dos. Finalmente sumar el resultado de la división con el resultado de la multiplicación. El resultado final será el largo muy próximo a lo real ya que hay un margen de error por la tensión de la banda, a veces sucede que si es muy larga, cuelga unos centímetros en el centro, este error puedes estimarlo a ojo. La banda deberá verse como la figura representada (fig. 1.1).
Polea chica = 3pulgadas
Formula 1.1
Polea grande = 5 pulgadas (3 + 5) /2 = 4 10 pulgadas de centro a centro 10 * 2 = 20 20 + 4 = 24 largo de la banda.
Para calcular las poleas se tiene:
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FÓRMULA: n1 · d1 = n2 · d2
Formula 1.2
n1 = velocidad de la polea entrada es de 1140 rpm. n2 = velocidad de la polea salida es la incógnita. d1 = diámetro de la polea entrada es 5.08 cm (2”) d2 = diámetro de la polea salida es 12.7 cm (5”)
Cálculo de la velocidad Eje 2
n1·d1 = n2·d21140rpm · 5.08cm = n2 · 12.7cm n2 = (1140·5.08)/12.7 = 5791.2/12.7 = 456 rpm Entonces, la velocidad de entrada al reductor es de 456 rpm.
SELECCIÓN DEL REDUCTOR La selección de un Reductor mecánico con relación 40 a 1 para disminuir la velocidad primaria del motor, manteniendo el par torsional del motor lo suficiente para inducir en el reductor. El problema básico en la industria es reducir la alta velocidad de los motores a una velocidad utilizable por las maquinas. Además de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejes de entrada y salida y la potencia mecánica al trasmitir. Para potencias altas se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranes con gran diferencia de diámetros, de esta forma el engrane de menor diámetro requiere dar muchas vueltas para que el de diámetro mayor de una vuelta, y así reducir la velocidad de giro. Para obtener grandes reducciones se repite esto colocando varios pares de engranes conectados uno a continuación del otro. Luego de seleccionado el motor, se procede a seleccionar un reductor que debe tener una potencia de entrada, que se determina multiplicando la potencia del motor por el factor de servicio en base a las horas de trabajo diario del sistema, por lo siguiente: Potencia Reductor = Potencia Actual x Factor de Servicio. Factor de Servicio: El factor de servicio es 1,25 para un motor eléctrico de entrada constante, medianamente impulsivo, para trabajar 8h/día. Derechos reservados © 2012, U de G [4]
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Potencia de Selección del Reductor: Potencia de selección = Potencia Actual x Factor de Servicio.
Formula (1.3)
= 1.49 [kW] x 1,25 Pot. Selección = 1.8625 [kW]
VELOCIDAD DE SALIDA FINAL PARA EL REDUCTOR: Luego de encontrada la potencia de selección del reductor se debe tener una velocidad de salida que determinara la relación de transmisión i=n1/n2, en donde n1 es la velocidad del motor o velocidad de entrada al reductor y n2 es la velocidad de salida del reductor por lo siguiente: i= 40 n1=456 [rpm] Relación 40:1 40 = 456/n2 n2=456/40 n2 = 11.4 [rpm]
Pero esta relación no es suficiente para la Curvadora es necesario una velocidad de 7 a 8 rpm lo cual estamos por encima de lo requerido con 11.4 rpm. Entonces realizaremos otra reducción pero esta vez por medio de catarinas teniendo en cuenta que con el cálculo realizado de potencia del reductor es la misma que la del motor y como resultado, el reductor hace la misma transferencia de potencia sin ocasionar perdidas.
CALCULO DE LA CADENA Y CATARINAS PARA RPM REQUERIDOS.
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Fig.1.2 Cadena de rodillos. Para obtener la velocidad final y el tipo de cadena para completar la transmisión del movimiento es necesario hacer los siguientes cálculos, los elementos utilizados son como la imagen ilustrativa (fig.1.2).
Calculo de la cadena
Calcular un mando a cadena con los siguientes datos: Velocidad eje motriz: 1140 RPM Velocidad de la máquina accionada: 8 RPM Motor eléctrico de 2 HP trabajando 8hs. diarias con servicio suave. 1) Relación = 1140 / 8 = 142.5 2) Potencia corregida = 2 HP x 1 (Factor de servicio) = 2 HP 3) Rueda: (26 dientes x 2) + 12 (Relación de transmisión) = 64 dientes
Longitud de la cadena en pasos.
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Formula (1.4)
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Formula: 2C+ S/2+ K/C
Formula (1.5)
C: Dividida la distancia entre centros (pulg.) por el paso obtenido. S: Sume el numero de dientes de la Catarina pequeña al numero pequeño de la Catarina grande. K: Reste el numero de dientes de la Catarina pequeña, el numero de dientes de la Catarina grande, obteniendo el valor D. De la tabla, obtenga el valor correspondiente a K. La formula para hallar el largo de la cadena (expresado en pasos), conociéndose la distancia entre ejes en pasos y la cantidad de dientes de la rueda y piñón, es la siguiente: L = 2 C + N + n / 2 + [N -n/2 ×3.14/C]²
Donde:
L = Longitud de la cadena expresada en pasos. C = Distancia entre ejes expresado en pasos. N = Número de dientes de la rueda. n = Número de dientes del piñón.
Una vez obtenido el resultado en pasos, se multiplica por el paso de la cadena en mm y se logra así la longitud de la cadena en mm.
Dientes de la Catarina de accionamiento = 12 Dientes de la Catarina accionada ======= 26 Paso de la cadena ================== ¾ Distancia entre centros =============== 10” 1. C = 10” / 1.5 = 13.33 2. S = (12 + 26)= 38 3. D = (26 - 12)= 14 Valor correspondiente K = 4.96 4. Largo de la cadena en pasos = (2*13.33) + 38/2 + 4.96/13.33 = 46.03 El próximo número entero es 46 pasos. Derechos reservados © 2012, U de G [7]
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5. 46 * ¾ = 34.5 “
Especificaciones de chumacera
La chumacera u horquilla es una pieza de metal o madera con una muesca en que descansa y gira cualquier eje de maquinaria. Fig. 1.3.
Fig.1.3 Chumaceras tensora, de brida y de piso.
El ensayo de fatiga define el esfuerzo inducido máximo que resistirá el material (esto es, la probeta) con un número infinito de cargas, o la carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del componente a un número determinado de ciclos de carga.
Barrenado de placa principal que sirve como soporte donde van incrustadas las chumaceras y las flechas, el barrenado es con un taladro magnético de alto rendimiento y para brocas de gran diámetro. Fig. 1.4. Torneado de flechas para rodillos y manivela se muestran en la Fig. 1.5.
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Fig.1.4 Placa principal y de soporte de las flechas.
Fig. 1.5 Torneado de las cuerdas para las flechas.
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Fig. 1.6 Rodillo ensamblado. Se muestra el ensamblaje de un rodillo listo para hacerle pruebas y comprobando que las tolerancias geométricas sean perfectamente cumplidas para evitar fallas al ensamblar, al desmontar y también cuando se encuentre en función, habilitado de placa principal y placa de soporte para flechas. Fig. 1.6, Fig. 1.7, respectivamente.
Fig. 1.7 Habilitado de placa principal y de placa de soporte para evitar deformaciones en las flechas. Derechos reservados © 2012, U de G [10]
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DIAGRAMA DE CONTROL
En el diagrama de control se muestra la forma de conexión y de los elementos que se necesitan para lograr su funcionamiento. (fig. 1.8).
fase
neutro 6
Paro
1
OL
Adelante
2
3
4F
5
R F
piloto
F
R
piloto
Atras
R F
R
piloto Fig. 1.8 Diagrama de control.
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DIAGRAMA DE FUERZA DEL MOTOR
En el diagrama de fuerza se denota los elementos a utilizar y la forma de conexión y la función que este ejerce en la maquina. (fig. 1.9).
Fig. 1.9 Diagrama de fuerza.
CALCULO ELECTRICO: Es necesario el cálculo del conductor y sus protecciones para evitar dañar la maquina por situaciones de fallas externas a la misma, pero también indispensable que si en algún momento ocurriera una falla en la maquina es prudente proteger la red de tomas de corriente para la misma, es por eso que tenemos lo siguiente:
Pot.: 2.5 HP de potencia. µ: 90 % dado como eficiencia. Derechos reservados © 2012, U de G [12]
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F.P: 90 % como factor de potencia. Para obtener la corriente nominal de la maquina tenemos:
HP (746) Im = -----------------E*F.P*µ*1.73
(2.5)(746) (220)(.9)(.9)(1.73)
Más 25% para el arranque del motor.
= 6.042 A
Formula (1.6).
IT= 7.55 A
S= 2(40) (6.042) (1.73) ------------------------- = 1.26 (220)(3)
Formula (1.7).
Por lo tanto se elige el calibre n° 12 para la instalación como el conductor apropiado, evitando así perdidas por caída de tensión. Un interruptor termomagnetico con capacidad de 10 A. por ser el valor comercial más cercano para la protección del equipo al valor calculado.
Fig. 1.10 Motor eléctrico de 2 HP
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Fig. 1.11 Reductor con relación 40:1
CONCLUSIONES: Para la elaboración de la maquina confirmamos que tenemos capacidad para la investigación y recolección de datos, para calculo y diseño de la misma, para selección y conformado de la maquina, para resolver inconvenientes y la anticipación de los mismos y finalmente para entregar un producto de buen nivel cumpliendo con normas de calidad, desarrollo, economía en amplios sentidos y siendo muy importante la seguridad y confianza en la operación de la maquina.
Con este tipo de maquinas no solo se beneficia al empresario o adquisidor, también se ven beneficiados los operarios que realizan las mismas funciones pero de forma artesanal, como pueden ser los electricistas, fontaneros, herreros, personal dedicado a reparación de automotores y fabricantes de defensas para los automóviles, talleres especializados en maquilas metálicas y equipos metalmecánicos, apoyando así a la sociedad en general evitando lesiones temporales y permanentes teniendo un mejor nivel de vida, mejores ganancias gracias a su mayor producción en menor tiempo y que al adquirir maquinaria como la que orgullosamente presentamos, el costo de inversión se ve superado inmediatamente por las ganancias producidas en poco tiempo, gracias a su ahorro de energía, fácil localización de fallas, fácil desmontaje y montaje partes, así como refacciones económicas y de fácil adquisición y algo indispensable el bajo índice de mantenimiento.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
[1] J.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw Hill 2002 [2] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”, McGraw Hill 2000 [3] R.L. Norton, “Diseño de maquinaria”, McGraw Hill 2000 [4] J.C. García, J.P. Nadalini, M. Tabó y M. Tonini “Correas planas y en V”. Serie de monografías de elementos de Máquina (2001) [5]CARDENAS, Víctor, (1990) Conformado Mecánico. [6]COSTALES, Raúl, (1984) Diseño y Construcción de una Roladora. EPN. Tesis. [7]BHOMAN, Iván (C.A.), Catalogo de Aceros Especiales. [8]BOHLER, Manual, de Aceros “Guía práctica para la adecuada selección y procesamiento de Aceros especiales”. [9]AYALA, Rodolfo, (1991) Diseño Construcción de una Roladora con Motor. EPN. Tesis.
FUNCION: El objetivo principal de este proyecto es el de simplificar el intercambio de los materiales necesarios para el desarrollo de curvas en perfiles y tubos, al ver las necesidades del mercado y mejorar las condiciones de trabajo y obtener una garantía en la calidad de la mano de obra.
CAMPO DE APLICACIÓN:
Este proyecto esta orientado para aplicarse en los talleres de herrería, y en centros de rolados con esto se tiene la idea de facilitar el trabajo de elaboración de rolado de materiales.
Como ya se menciono antes no solo en estas áreas es aplicable, también de tipo domestico, comercial e industrial, siendo utilizado por personas que se dediquen a fabricar protecciones o defensas de automotores o barrotes y soportes para carga de diversos tipos de maquinaria, herramienta y mercancía. También para la necesidad de personal especializado en tuberías e instalaciones de las mismas, calderas, ductos eléctricos, etc.
CATEGORIA EN LA QUE PARTICIPA:
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PROYECTO INDUSTRIAL FINANCIADO (MODIFICACIÓN)
OBJETIVO GENERAL:
Diseñar, calcular y construir una maquina Curvadora de Perfiles con la capacidad de rolar en frio perfiles y tubería de uso comercial (no estructural), con dimensiones de 600 mm x 700 mm x 1300 mm aprox., operada por una sola persona.
Se pretende elaborar una maquina que facilite el trabajo realizado por varias personas, simplificando este proceso y mejorando el nivel de producción y el tiempo del mismo dejando atrás sistemas de corte, soldado y rectificación en varios pasos por cada material a rolar y sin lastimarlo.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1.- Diseño, calculo y construcción de la estructura para la maquina.
2.- Calculo, selección y clasificación del sistema motriz de la maquina.
3.- Diseño, cálculo y construcción del sistema de control automático.
4.- Diseño, cálculo y construcción del sistema eléctrico.
5.- Diseño, cálculo y construcción de los dados y/o rodillos para el curvado.
JUSTIFICACION: La Roladora o Curvadora Electromecánica como proyecto de investigación hace hincapié en el aspecto de conformado mecánico, eléctrico, y el sistema de control del mismo, poniendo en práctica los conocimientos adquiridos dependiendo de la necesidad del cliente o empresa a la cual se presta el servicio, dando una pauta para que a un futuro próximo, poder mejorar notablemente el elemento antes mencionado. Este proyecto va dirigido un poco mas en particular a pequeños talleres de rolado en frío y herrerías con la necesidad de hacer las curvaturas en diferentes tipos de perfiles. Teniendo en cuenta los diferentes tipos de perfiles y así como la resistencia de cada uno de ellos.
Algunas de las ventajas mas destacadas del mecanismo son: Derechos reservados © 2012, U de G [16]
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Mínimo mantenimiento.
Facilidad de cambio de elementos o accesorios.
Opción al precurvado (paso muy importante para el curvado sin dañar el material).
Dados con figura o cavidad prediseñada para mayor producción.
Daño mínimo al material de curvado en frío.
Extensión del control de la maquina para mayor seguridad del operario.
Una perfecta relación en rpm para un mejor curvado.
Como ya se menciono, va dirigida principalmente para talleres de herrería y talleres de rolado incrementando sus ganancias netas gracias a la rapidez, seguridad y calidad del producto final. Pero no es específicamente para estas dos áreas, también cualquier miembro de la sociedad pude facilitarle las tareas diarias, ejemplo: Un jefe de familia al hacer unas protecciones para su camioneta, un electricista cuando necesite hacer un curvado para una instalación eléctrica con tubo conduit. etc.
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