DISEO DE MODULO DE COMPRESION ADAPTADA A UNA PRENSA HIDRAULICA PARA EL ESTUDIO Y ANALISIS DE MATERIALES MECNICOS

INTRODUCCIONLas propiedades mecnicas de los aceros y fundiciones son influenciadas por la composicin qumica, produccin de material, tratamiento trmico, condiciones ambientales, velocidad de calentamiento y enfriamiento, y sobre todo su grado de resistencia ante las deformaciones generadas por fuerzas externas e internas a las que debe someterse constantemente.Como futuros ingenieros mecnicos, debemos poseer un alto conocimiento acerca de las condiciones extremas en las que trabajan los materiales, sobre todo los aceros, por ser este el material en el cual plasmamos nuestros conocimientos de diseo, mantenimiento, produccin y construccin. Est de ms decir que la mejor manera de entender a los aceros es mediante pruebas de ensayo en probetas experimentales.Este trabajo investigativo nos muestra los materiales y pasos necesarios a seguir para lograr una prueba de COMPRESION simple, sin complicarnos de gran manera, pero obteniendo resultados satisfactorios.

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:Como estudiantes de la carrera profesional de Ingeniera Mecnica, siempre se ha estudiado resistencia de materiales de los aceros, durante todo este tiempo hemos escuchado de diferentes ingenieros los importante que es el entender el comportamiento de diferente perfiles bajo cargas axiales, torque y flexin.Por tal motivo solo hemos conocido lo terico de resistencia de materiales, gracias a este mdulo podremos tener una idea de una carga axial de compresin. En este caso nos enfocaremos al estudio de las cargas axiales de compresin, de esta manera con ayuda de una probeta de pruebas comprenderemos la resistencia terica que tanto hemos estudiado.

1.2. OBJETIVOS: Estudiar el comportamiento de los materiales dctiles cuando son sometidos a una carga axial de compresin. Determinar la resistencia de un material y su deformacin ante un esfuerzo de compresin, en la mayora de los casos puede realizarse en metales, aunque se puede hacer en cualquier material. Caracterizar algunas propiedades mecnicas del material (sus propiedades y curvas de comportamiento). Una vez estudiados los conceptos bsicos de esfuerzo y deformacin unitaria, se mostrar como los esfuerzos pueden relacionarse con las deformaciones unitarias usando mtodos experimentales para determinar el diagrama esfuerzo-deformacin unitaria de un material especfico. Se estudiar el comportamiento descrito para los materiales usados comnmente en ingeniera. Asimismo, se examinar tambin las propiedades mecnicas.

MARCO TEORICO

2. FUNDAMENTOS TEORICOS:En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto flexin, como cizallamiento o torsin, todos estos esfuerzos conllevan la aparicin de tensiones tanto de traccin como de compresin. Aunque en ingeniera se distingue entre el esfuerzo de compresin (axial) y las tensiones de compresin.En un prisma mecnico el esfuerzo de compresin puede ser simplemente la fuerza resultante que acta sobre una determinada seccin transversal al eje baricntrico de dicho prisma, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la direccin de eje baricntrico.Las piezas prismticas sometidas a un esfuerzo de compresin considerable son susceptibles de experimentar pandeo flexional, por lo que su correcto dimensionado requiere examinar dicho tipo de no linealidad geomtrica.

A) COMPRESION:El esfuerzo de compresin es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un slido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reduccin de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada direccin (Coeficiente de Poisson).

B) ESFUERZO DE COMPRESION:En una pieza prismtica no-esbelta, y que no sea susceptible de sufrir pandeo sometida a compresin uniaxial uniforme, la tensin el acortamiento unitario y los desplazamientos estn relacionados con el esfuerzo total de compresin mediante las siguientes expresiones:

C) PROBETA ESTANDAR:Las probetas para los ensayos de compresin de materiales metlicos recomendados por la ASTM.Las probetas cortas son para usarse con metales antifriccin.Las de probetas medianas aran uso general y las probetas largas para ensayo que determine el mdulo de elasticidad.Las deformaciones verdaderas involucradas en el proceso de conformado plstico son del orden de 2 a 4 (mucho mayores que las que obtienen en un ensayo de traccin) con altas tasas de deformacin. El ensayo de compresin entre bloques es ms conveniente para obtener informacin sobre el comportamiento del material en procesos de conformado.

En conformado plstico de metales, la presin se describe como: tensin de fluencia del estado tensional correspondiente, g(f) funcin de la friccin en la interface pieza herramienta, h(c) funcin de la geometra (de la pieza y de la herramienta).

Se suele tener las siguientes consideraciones necesarias de acuerdo al tamao de cada probeta: Las probetas cortas (pruebas de compresin de materiales), medianos (propiedades mecnicas generales), largas (ensayo de columnas); (L/D) de 1,5 o 2 para materiales de alta resistencia.

D) ESQUEMA DEL ENSAYO:

Friccin entre probeta y placas: dificulta y llega a impedir la expansin de los extremos de la probeta, se atena hacia la zona central y prcticamente desaparece a una distancia de los extremos, aproximadamente igual a un dimetro:

Abarrilamiento; origina zonas internas no deformadas. Puede minimizarse con lubricacin adecuada.

Camas y bloques de apoyo: Los extremos de las probetas de compresin deben ser planas para no causar concentraciones de esfuerzos y deben ser perpendiculares al eje de la pieza para no causar flexin debida a la carga excntrica.

CONSIDERACIONES AL INICIO DEL ENSAYO DE COMPRESIN

Desde el punto de vista de Resistencia de Materiales, existen muchos inconvenientes que se debe tomar en cuentas para una correcta aplicacin terica en la prueba de ensayo: Dificultad en aplicar una carga verdaderamente concntrica o axial.

El efecto de irregularidades de alineacin dentro de la probeta se acenta mientras la carga prosigue.

La friccin entre los puentes de la mquina de ensayo o las placas de apoyo y las superficies de los extremos de la probeta debido a la expansin lateral de sta.

A medida que la longitud de la probeta se aumenta, se presentan una tendencia creciente a hacia la flexin de la pieza, con la siguiente distribucin no uniforme del esfuerzo sobre una seccin recta.

Aunque con esta prueba puede determinarse muchas propiedades mecnicas importantes de un material, se utilizan principalmente para determinar la relacin entre el esfuerzo normal promedio y la deformacin normal unitaria en muchos materiales utilizados en ingeniera, sean de metal, cermica, polmeros o compuestos.

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE COMPRESIN

1) Tomamos las medidas iniciales de la probeta, de longitud y dimetro, si es necesario tomamos imgenes ulteriores, para as lograr comparar de mejor manera los resultados.

2) Nos familiarizamos con la mquina e instrumentos de ensayo y se colocan los aditamentos correspondientes para sujetar la probeta .Se procede a bajar la mquina para colocar la probeta en el lugar indicado, asegurando que este lo ms centrada posible a la base.

3) Nos cercioramos de que la prensa este sujetando a la prensa lo suficiente, pero sin ejercer gran presin.

4) Empezamos a ejercer presin en la gata hidrulica, tomando valores cada cierto periodo de tiempo, para observar la variacin longitudinal que se generar.

5) Mientras la carga va en aumento veremos como la probeta se comprime poco a poco.

6) Conforme el tiempo y la carga aumentan la probeta terminara por comprimirse hasta que nuestra maquina no pueda ofrecer ms presin. Ya que acabamos con nuestro ensayo procedemos a tomar las nuevas medidas de nuestra probeta.

CALCULOS DE ENSAYO

Acortamiento (h): Es la variacin de la altura.

Esfuerzo normal (): se define como la intensidad de fuerza por unidad de rea. Es perpendicular al rea.

Deformacin unitaria (): se determina directamente dividiendo el cambio de altura entre la altura original.

Esfuerzos verdaderos (): debido al cambio del rea de la probeta durante el ensayo, se determina el esfuerzo real considerando el rea variable.

Entonces para realizar nuestro ensayo dentro de la zona elstica; el alargamiento de nuestra probeta no debe superar 0.108mm. Si llegase a superar ese valor estaramos ubicados en la zona plstica, en la cual no podramos determinar la fuerza a partir de la ley de Hooke.

AL RAYADO

ENSAYOS DE DUREZA

El ensayo de dureza es uno de los ms empleados en la seleccin y control de calidad de los metales. La dureza es una condicin de la superficie del material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia.

Se evala convencionalmente por tres procedimientos:

El mtodo Rockwell, el brinell y el vickers, el ms usado en metales es la resistencia a la penetracin de una herramienta con determinada geometra.

A) ENSAYO DE MOHS:

Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro ms duro.

B) ENSAYO DE MARTENS:

Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ngulo en el vrtice de 90. Se aplica sobre superficies nitruradas.

C) ENSAYO A LA LIMA:

PENETRACIN

A) ENSAYO BRINELL:

Este mtodo consiste en comprimir una bola de acero templado, de un dimetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo tambin conocido.

B) ENSAYO VICKERS:

3. DISEO Y MODULO DE COMPRESION:El ensayo de compresin se realiza para determinar las propiedades de un material frente a una solicitacin axial negativa. Solicitacin que pretende comprimir la probeta de ensayo.Este mdulo de compresin estar acoplado a una prensa, que es un dispositivo que se utiliza para compactar. El trmino procede del cataln prensa" y est vinculado a ejercer una presin o emplear una fuerza.La prensa hidrulica, presenta un mecanismo con vasos comunicantes que son puestos en marcha por pistones y que, a travs de diversas fuerzas de poca intensidad, permite conseguir otras fuerzas de compactacin ms intensas.

3.1. MATERIALES A USAR EN NUESTRO MODULO DE COMPRESION:

a) GATO HIDRAULICO:El gato hidrulico es una mquina empleada para la elevacin de cosas de mayor peso. Un gato hidrulico usa un fluido, el cual es incompresible, que es impulsado a un cilindro mediante el mbolo de una bomba.

b) MANOMETRO DE ACEITE:El manmetro es un instrumento utilizado para la medicin de la presin en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presin entre el fluido y la presin local.En la mecnica la presin se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un lquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.La presin suele medirse en atmsferas (atm); en el sistema internacional de unidades (SI), la presin se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmsfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio.

c) ANGULOS DE FIERRO PARA EL MODULO:Es el fierro que se utilizara para la construccin del modulo de compresin en el cual iran anclada el gato hidrulico y la mesa de pruebas.

DISEO Y MEDIDAS DE PRENSA HIDRAULICALa mquina fue manufacturada en Acero ASTM A36 son resistentes al doblado, por lo que soportan mayores cargas y soldables sin que afecte su resistencia mecnica , Aplicaciones son utilizados en carpintera metlica, mquinas, estructuras metlicas, implementos agrcolas, etc.

MEDIDAS

ANALISIS ESTATICO MEDIANTE SOLIDWORKS TENSIONES SEGN VONMISSES

DESPLAZAMIENTOS

COSTOS DEL PROYECTO MECANICOGATO HIDRAULICO120

MANOMETRO80

SOLDADURA30

PINTURA35

PERFIL RECTANGULAR DE ACERO 2x 2 x (2 varillas)200

RESORTES DE ACERO TEMPLADO (2)50

TRASLADO50

MAQUINADO DE PIEZAS50

MATERIALES A USAR EN EL ENSAYO100

MONTO APROXIMADO DE 715 NUEVOS SOLES.

COMO DEBE QUEDAR NUESTRA PRENSA HIDRAULICA DE COMPRESION

CONCLUSIONES

Este mtodo es muy prctico para conocer el comportamiento de material bajo esfuerzos permanentes, cuando el material presenta comportamiento frgil a traccin. La resistencia del material a las cargas es inversamente proporcional a la intensidad y a la frecuencia de las deformaciones que experimenta. Hemos dicho que el aluminio es un material dctil. Se puede observar en los resultados del ensayo que la probeta ha disminuido de longitud, pero a cambio, ha aumentado su dimetro sin romperse, por lo que se demuestra su ductilidad.

A travs del ensayo realizado en el laboratorio se puede concluir que el aluminio presenta poca resistencia a la compresin. Gracias a esto se puede analizar que no todos los materiales presentan la misma resistencia, esto nos indica que si un material tiene gran resistencia a la compresin es posible que tenga una baja resistencia a la tensin y viceversa, es por esto que es de gran importancia conocer las caractersticas de cada uno de los materiales para evitar cualquier tipo de problemas o falla en la aplicacin de estos.

Los resultados obtenidos de la prueba de ensayo, podemos decir que son aceptables, porque los valores obtenidos se encuentran dentro de los rangos tericos de resistencia de materiales.

Al no tener instrumentacin adecuada para lograr medir la fuerza de compresin, debemos considerar que todos los clculos obtenidos, se estn considerando dentro de la zona elstica para que de esta manera podamos usar las formulas clsicas de esfuerzo y deformacin.

La ley de Hooke solo es aceptable en la zona elstica, al llegar nosotros a limites plsticos, podremos considerar que estamos trabajando con limites crticos y esfuerzos de fluencia.

ANEXOS