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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA DE DOBLEZ GUIADO PARA LA

COMPAÑÍA WEST ARCO

AUTORES

JUAN MANUEL PENAGOS MARTÍNEZ MIGUEL ÁNGEL ZAMUDIO CAMPOS

TESIS DE GRADO PARA OPTAR A TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

DIRECTOR DE PROYECTO

VÍCTOR ELBERTO RUIZ ROSAS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ DC. 2015

2

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 9

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 10

2. JUSTIFICACIÓN 11

3. OBJETIVOS 12

3.1. OBJETIVO GENERAL 12

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12

4. ALCANCE 13

5. MARCO TEÓRICO 14

5.1. ENSAYO DE DOBLEZ GUIADO (BASADO EN AWS B4.0:2007

STANDARD METHODS FOR MECHANICAL TESTING OF WELDS) 14

5.1.1. Principios del ensayo de doblez guiado. 14

5.1.2. Dispositivos para la realización del ensayo de doblez. 15

5.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS 15

5.3. MÉTODO DE SINGULARIDAD 15

5.4. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 17

5.5. MÉTODOS DE CURVADO 18

5.5.1. Laminado en Rodillos 18

5.5.2. Wrap Around (formado alrededor de una matriz) 19

3

5.5.3. Doblado o Curvado por Prensa 24

5.6. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN 25

5.7. FORMACIÓN DE CUELLO O ESTRICCIÓN 28

5.8. PARAMETRIZACIÓN EN UN DISEÑO 28

5.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD 29

6. METODOLOGÍA 32

6.1. FASE DE DOCUMENTACIÓN 32

6.2. FASE DE DISEÑO 32

6.2.1. Diseño teórico 32

6.2.2. Diseño Detallado 38

7. FASE DE FABRICACIÓN 61

8. FASE DE INSTALACIÓN Y PRUEBAS 64

9. FASE ELABORACIÓN DE PRODUCTOS FINALES 67

10. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN 69

11. CONCLUSIONES 71

BIBLIOGRAFÍA 74

ANEXOS (DVD) 76

4

ÍNDICE DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Maquina roladora de lámina. Directindustry españa 19

Figura 2. Maquina roladora de perfiles. Directindustry españa 19

Figura 3. Vista superior de máquina de doblez guiado, Triangle

Engineering Inc.

20

Figura 4. Vista isométrica de máquina de doblez guiado. Triangle

Engineering Inc.

21

Figura 5. Máquina para doblez guiado manual. Patente nº 2.934.945

Paises Bajos

22

Figura 6. Máquina para ensayo de doblez tipo Wrap Around. Patente

nº 4.656.872 E.U.A

23

Figura 7. Dispositivo para doblez guiado tipo roller jig con ariete tipo

punzón. Instron Inc.

24

Figura 8. Punzón intercambiable de dispositivo roller jig según

diámetro requerido. Instron Inc.

25

Figura 9. Resistencia al esfuerzo cortante versus porcentaje de trabajo

en frio, Universidad Centroamericana José Simón Cañas.

26

Figura 10. Resistencia de esfuerzo a tención versus porcentaje de

trabajo en frio, Universidad Centroamericana José Simón Cañas.

26

Figura 11, Ductilidad versus porcentaje de trabajo en frio, Universidad

Centroamericana José Simón Cañas

27

Figura 12, Curva esfuerzo versus deformación unitaria, Universidad

Centroamericana José Simón Cañas

27

Figura 13. Comportamiento real del material deformado, Universidad

Centroamericana José Simón Cañas

28

Figura 14. QFD producto farmacéutico. QFD Conceptos, Aplicaciones

y Nuevos Desarrollos.

30

Figura 15. Dispositivo Former. Norma BS EN ISO 5173:2010 35

5

Figura 16. Dispositivo tipo Roller (Wrap-Around).Norma BS EN ISO

5173:2010

36

Figura 17. Disposición de la máquina. Fuente Autor 39

Figura 18. Fuerzas involucradas en durante el doblez de la probeta.

Fuente Autor.

41

Figura 19. Sección de la probeta sobre la que aplicara presión. Fuente

Autor.

42

Figura 20 aplicación de carga a la probeta de ½ pulgada presionada

contra el rodillo de formado. Fuente Autor

43

Figura 21. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la

carga total en el conjunto sinfín corona. Fuente Autor.

46

Figura 22. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la

carga total en el conjunto sinfín corona. Fuente Autor.

50

Figura 23. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la

carga total en el conjunto sinfín corona. Fuente Autor.

52

Figura 24. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la

carga sobre el rodillo de doblez más pequeño. Fuente Autor.

54

Figura 25. Fuerza generada sobre placas de sujeción. Fuente Autor 56

Figura 26. Esfuerzos hallados sobre la estructura del dispositivo de

sujeción. Fuente Autor

57

Figura 27. Esfuerzos hallados sobre chumacera base según las

cargas de operación. Fuente Autor

59

Figura 28. Pieza # 15, parte del mecanismo de presión de la máquina.

Fuente Autor

61

Figura 29. Pieza # 17, parte del mecanismo de presión de la máquina.

Fuente Autor

62

Figura 30. Pieza # 4, soportes de los rodamientos del sinfín. Fuente

Autor

62

Figura 31.Pieza # 20, Tornillos de presión de las mordazas. Fuente

Autor

63

6

Figura 32. Pieza # 27, tapas de los soportes de los rodamientos del

sinfín. Fuente Autor

63

Figura 33. Ensamble tornillo sinfín. Fuente Autor. 64

Figura 34. Ensamble prensa. Fuete Autor. 64

Figura 35. Ensamble rodillos de doblez y presión. Fuente Autor. 65

Figura 36. Ensamble del tablero eléctrico. Fuente Autor. 65

Figura 37. Ensamble total de la máquina, piezas sin tratar. Fuente

Autor.

66

Figura 38. Primer material a ensayar. Fuente Autor 67

Figura 39. Primer material ensayado. Fuente Autor 67

Figura 40. Probetas por norma AWS d11 en acero A36 después de

prueba, espesor de 12.2 mm. Fuente Autor.

68

7

ÍNDICE DE TABLAS

pág.

Tabla 1. QFD evaluación de los RC (en letras mayúsculas) contra las

CT (en letras minúsculas) que cumplen con dichos requerimientos.

Fuente Autor

33

Tabla 2 Criterios de diseño para la máquina. Fuente autor. 34

Tabla 3. Listado de materiales a ensayar. Fuente ASME IX pag. 76 40

Tabla 4 Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria y

deformación total para la probeta sometida a carga. Fuente Autor.

44

Tabla 5 Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria,

deformación total y análisis de fatiga para la corona sometida a carga

de operación. Fuente Autor.

47

Tabla 6. Composición química del acero SAE 8620 Tomado y

adaptado de Compañía General de Aceros.

47

Tabla 7. Valores de eficiencias de motoreductores ref. REM040.

Soltecna. Catálogo de reductores REM

49

Tabla 8. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria,

deformación total y análisis de fatiga para el sinfín sometido a carga

de operación. Fuente Autor

50

Tabla 9. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria,

deformación total y análisis de fatiga para el eje de la corona sometido

a carga máxima de operación. Fuente Autor.

52

Tabla 10. Composición química del acero SAE 4140. Catalogo

Compañía General de Aceros.

53

Tabla 11. Alternación de elementos para el cambio de los diámetros

de doblez en la máquina. Fuente autor.

54

Tabla 12. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria

y deformación total para el rodillo de doblez más pequeño sometido a

carga máxima de operación. Fuente Autor.

55

8

Tabla 13. Coeficientes de fricción de materiales comunes. Serway.

Physics for Scientists and Engineers 8th

56

Tabla 14. Esfuerzos máximos, deformación unitaria y total hallada en

el dispositivo de sujeción según cargas de operación. Fuente Autor.

58

Tabla 15. Resultados de aplicación de carga en el eje de la corona y

sus efectos en la chumacera base. Fuente Autor.

59

Tabla 16. Costos de material de documentación. Fuente Autor. 70

Tabla 17. Costos asociados al recurso humano. Fuente Autor. 70

Tabla 18. Costos de fabricación. Fuente Autor.

70

9

INTRODUCCIÓN

Con la ejecución de este proyecto para la compañía West Arco y redacción de este documento se tiene el interés por parte de los autores del mismo optar por el título

de Ingeniero Mecánico, currículo ofrecido por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, el proyecto se centra en la construcción de una máquina que realice dobleces a probetas soldadas especificadas por la norma ASME sección IX Boiler

and Pressure Vessel 2010 Adenda 2011 y la norma AWS B4.0:2007 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds.

La ejecución de ensayo de doblez guiado es parte fundamental en la caracterización y pruebas de uniones soldadas, toda vez que permite determinar

discontinuidades presentes en el depósito de soldadura; así mismo, el ensayo de doblez en material metálico permite determinar discontinuidades que estén presentes en producto terminado (platinas o tuberías) y así verificar su

cumplimiento contra estándares de calidad. El presente proyecto es guía del diseño y construcción de un dispositivo que adecúe

su geometría y funcionamiento a las distintas posibilidades en ejecución de ensayos de doblez guiado que, principalmente por la elongación de los materiales metálicos, pueden presentarse. Se centrará el desarrollo del dispositivo para ensayo en

materiales metálicos con probetas de doblez estandarizadas para uniones soldadas y aceros, conforme a los métodos de ensayo y criterios estandarizados por códigos

de soldadura y especificaciones de producto que consideren aplicable al ensayo de doblez guiado. La principal referencia tomada para el desarrollo es la sección IX del código ASME Boiler and Pressure Vessel 2010 Adenda 2011, toda vez que este

código es uno de los más explícitos en los requerimientos dimensionales y ejecución de ensayo en unión soldada; se complementará su información con otras

normas que hagan referencia al ensayo de doblez guiado. El desarrollo del dispositivo se realizará mediante diseño conceptual y apoyo de software CAD/CAM/CAE, teniendo como base los lineamientos exigidos por

códigos de soldadura y especificaciones aplicables en cuanto a dimensionamiento y geometría, desarrollando posteriormente el modelo físico de dispositivo de doblez;

se verificará su correcto funcionamiento y su conformidad con las exigencias de norma aplicable.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante el desarrollo de ensayo de doblez guiado a soldaduras es necesario contar con un dispositivo que permita ejercer una carga a la pieza a ensayar y, a su vez,

genere una forma final en “U” a la pieza ensayada de manera que una de sus superficies (cara expuesta convexa luego de doblez) pueda ser evaluada acorde a

las especificaciones de producto y códigos de soldadura aplicables, dichos códigos y normas entre las que se encuentran la ASTM A370 ( American Society for Testing Materials), AWS A3.0 (American Welding Society), AWS B4.0 y API 5L (American

Petroleum Institute), especifican las condiciones del ensayo para cada tipo de soldadura así como las especificaciones de los dispositivos con las cuales serán

ensayados. El radio de curvatura que debe ser transferido a la probeta depende en gran forma del porcentaje de elongación mínimo esperado para el material metálico o para las

dos piezas que han sido unidas mediante soldadura y que están siendo sometidas a ensayo. Al existir variaciones en el porcentaje de elongación, consecuentemente,

se genera la necesidad de que el dispositivo para ensayo de doblez tenga la capacidad de adaptar su geometría a las dimensiones indicadas para el material ensayado. Básicamente, a menor porcentaje de elongación del material ensayado,

se espera que el radio de curvatura al cuál debe ser llevada la muestra de ensayo sea mayor porque puede producirse fractura inherente al método de ejecución al

exceder la capacidad de deformación plástica del material. En el Laboratorio de Ensayo de Soldaduras West Arco, quienes actualmente

ofrecen el servicio de ensayo de doblez, se presenta la dificultad referida con la geometría de los dispositivos los cuales están adaptados para hacer las pruebas

con un radio ya determinado no variable, de manera que al ejecutar este ensayo en la máquina universal de ensayos impacta directamente la capacidad de adaptación a distintos materiales y probetas, y además la eficiencia en los tiempos de

prestación de servicio debido a que sería ideal no ocupar la maquina universal de ensayos para pruebas de doblez debido a que también se tienen que realizar

pruebas de tención y demás servicios que presta la compañía. Concretamente se tiene que construir una maquina específicamente para los ensayos de doblez guiado que pueda adaptarse a diversos materiales base de

soldadura con las medidas especificadas en las normas ya mencionadas, para dicha adaptación se requiere que la maquina opere pudiendo variar los diámetros

de doblez según se requiera de una manera rápida y sencilla.

11

2. JUSTIFICACIÓN

En el desarrollo del objeto social para el cual fue creado, el Laboratorio de Ensayos Mecánicos y Químicos de Soldaduras West Arco S.A.S. desarrolla ensayos de

doblez guiado a metal base y uniones soldadas, siendo este ensayo el más solicitado por los clientes del Laboratorio actualmente. Éste Laboratorio es el único acreditado por el Organismo Nacional de Acreditación (ONAC) a nivel nacional para

la realización de este tipo de ensayos, convirtiéndose así en el único Laboratorio que demuestra contar con métodos procedimientos aplicables al ensayo con

conformidad en calidad y confiabilidad, siguiendo los estándares nacionales e internacionales aplicables a los ensayos de doblez guiado.

Desde hace algún tiempo el avance que ha tenido la industria nacional ha demandado la realización de ensayos que han sido nuevos para la experiencia con que cuenta el Laboratorio, demandando de este soluciones que no pocas veces

han sido difíciles o directamente han impedido la prestación del servicio. Se ha identificado como causa raíz de este problema el hecho de no contar con

maquinaria y dispositivos conformes a los requerimientos de las normas aplicables al ensayo de doblez guiado; para solucionar este problema a la fecha el Laboratorio ha optado por apoyarse en los proveedores de mecanizado de probetas con

quienes actualmente cuenta para fabricar los accesorios o dispositivos aplicables a los casos específicos donde se ha decidido prestar el servicio debido a

compromisos contractuales previos con clientes de importancia estratégica para los fines de la compañía y del Laboratorio mismo.

En el proceso de exploración previa acerca de las opciones que permitirían al Laboratorio superar las dificultades antes expuestas (proceso en el cual tuvieron

participación los autores del presente) se planteó el diseño y construcción de una máquina especializada únicamente en la realización de estos ensayos y con una serie de accesorios adecuados para ampliar el rango de ensayos realizables,

siguiendo para ello los requerimientos de las normas y códigos de soldadura nacionales e internacionales aplicables al ensayo. De allí surge el objetivo último

del presente desarrollo: el diseño, construcción y puesta en marcha de la máquina para realización de ensayo de doblez, que permita al Laboratorio usarla durante sus actividades diarias reduciendo el margen de error que el actual método conlleva

y ampliando el rango de acción del ensayo. La compañía se ha mostrado interesada en dicha actividad dando la oportunidad de desarrollo a los autores del presente y

colocando también de sus recursos humanos y financieros para la consecución del objetivo propuesto. Se requiere entonces que su costo de fabricación y operación sean los menores posibles de modo que sea viable y demuestre eficacia en su

funcionamiento para ser usado en las ejecuciones de ensayo comunes reduciendo tiempos de prestación de servicio y optimizando la ejecución de los ensayos de

doblez. Con las consideraciones inicialmente observadas en la práctica de los dobleces guiados, se estima conveniente la variación en diámetro planteada para un rango de entre ocho (8) y sesenta y cuatro (64) milímetros rango en el que se

cubren todas la medidas diametrales requeridas para la ejecución de las pruebas.

12

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

Construir un prototipo funcional que permita la realización efectiva de ensayos de doblez guiado a uniones soldadas y material metálico.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

i) Investigar sobre las distintas opciones de dispositivo de doblez guiado y diseñar un prototipo que permita llegar a un único modelo eficiente.

ii) Construir el prototipo diseñado y verificar la correcta ejecución del ensayo de doblez guiado.

iii) Analizar el funcionamiento y comportamiento de la maquina con cada una

de las piezas intercambiables y elaborar una ficha técnica con

instrucciones del uso de las partes de la maquina

iv) Verificar las ventajas y desventajas de operación frente a dispositivos de doblez guiado convencionales.

13

4. ALCANCE

Este proyecto contempla solucionar el problema planteado referente a la ejecución

de ensayos de doblez guiado, desarrollando y construyendo una máquina que

permita la variación dimensional del diámetro de doblez final para las probetas, con

el simple hecho de intercambiar las piezas necesarias según la prueba lo requiera.

El diseño de esta máquina se deriva de las ya existentes en el mercado

internacional y nacional e incluye una mejora sustancial en cuanto a la versatilidad

y funcionalidad de la misma. La ejecución del diseño se realizara calculando las

fuerzas inmersas en el mecanismo y la potencia necesaria para su funcionamiento

con la probeta que más implique esfuerzos a las piezas del mecanismo. Los

cálculos de resistencia de los materiales de las piezas serán simulados en el

software ANSYS teniendo en cuenta las cargas inherentes al funcionamiento del

mecanismo.

Seguido del diseño se elaboran planos para la fabricación del mecanismo, se hará

una evaluación de los costos que implica su construcción y se presentara ante la

compañía West Arco, financiadora del proyecto, quien evaluara la viabilidad

económica, además del tiempo requerido para la recuperación del dinero invertido.

La construcción se realizara instalaciones de los proveedores de mecanizados de

la compañía, seguido de esto la evaluación del funcionamiento y resultados de esta

se efectuaran en la compañía.

14

5. MARCO TEÓRICO

5.1. ENSAYO DE DOBLEZ GUIADO (BASADO EN AWS B4.0:2007 STANDARD

METHODS FOR MECHANICAL TESTING OF WELDS)

En el mercado internacional existen diversas soluciones y maquinaria especializada para la ejecución de ensayos de doblez guiado así como se encuentran normas establecidas pertinentes al problema, entre las que se destacan más están: ASTM

A370 (American Society for Testing Materials), AWS A3.0 (American welding society), AWS B4.0 y API 5L (American Petroleum Institute).

La maquinaria a la venta disponible incluye dispositivos de tipo roller jig con opciones de intercambio de punzones con diversos diámetros y dispositivos wrap around construidos con igual o mayor versatilidad para realizar no solo ensayos de

doblez si no todo tipo de dobleces de materiales de distintas formas.

5.1.1. Principios del ensayo de doblez guiado.

El ensayo de doblez guiado tiene dos finalidades principales. En primer lugar determinar la ductilidad de la unión soldada y en segundo lugar determinar la presencia de defectos en la superficie de tensión. El ensayo de doblez guiado es

ampliamente usado en la industria para determinar la ductilidad de una unión soldada y verificar la presencia de discontinuidades o defectos en el depósito de

soldadura para la cara expuesta del testigo de ensayo. Los ensayos de doblez guiado pueden ser realizados a metal base (entendiéndose

por este el metal sin cordón de soldadura) o a uniones soldadas (éstas últimas referidas a las uniones entre una o más piezas generalmente metálicas mediante

procesos de soldadura con o sin fusión de metal). Su uso se extiende, pero no se limita, principalmente a:1

a) Calificación de materiales, personal de soldadura y procedimientos de soldadura

b) Información, aceptación de especificaciones (de producto o proceso, nota

del autor), control de calidad en manufactura.

c) Investigación y desarrollo.

1 American Welding Society B4 Committee on Mechanical Testing of Welds, (2007), 7 ed. pág. 15

15

5.1.2. Dispositivos para la realización del ensayo de doblez.

Para la realización de un ensayo de doblez, se cuenta principalmente con dos opciones de dispositivo clasificados así:

5.1.2.1. Dispositivo de doblez guiado con apoyo en tres puntos. En este tipo de

dispositivo la probeta tiene apoyo en dos puntos normalmente ubicados

en sus extremos, mientras que un tercer apoyo (llamado en adelante

punzón) ejerce la fuerza para provocar el doblado en la parte central de

la probeta. En el caso de uniones soldadas, el centro del punzón deberá

estar alineado con el centro de la unión de la soldadura.

5.1.2.2. Dispositivo de doblez guiado Wrap Around (alrededor de un rodillo de

formado). Este dispositivo consta de una prensa que sujeta un extremo

del material a ensayar, un rodillo de formado con el diámetro requerido

para efectuar el doblez según las cualidades mecánicas del material y la

soldadura, y un rodillo de presión que ejercerá la fuerza necesaria para

deformar plásticamente la probeta sobre la matriz. Sobre el centro de la

probeta doblada debe de ubicarse la zona soldada para efectuar una

cualificación correcta.

5.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS

Para identificar correctamente todas las fuerzas potenciales y momentos en un sistema, es necesario hacer esquemas con diagramas precisos de cada uno de los

miembros del sistema. Estos diagramas deberán mostrar la forma general de la pieza con todas las fuerzas y momentos que actúan sobre ella. Puede haber fuerzas y momentos externos aplicados a la pieza desde fuera del sistema, así como

fuerzas y momentos de interconexión donde cada una de las piezas se una o entre en contacto con piezas adyacentes en el conjunto o sistema.

Aparte de las fuerzas y momentos conocidos y desconocidos que se ilustran en el diagrama se definen las dimensiones y los ángulos de los elementos del conjunto

respecto de un sistema de coordenadas aplicado al conjunto o elemento.

5.3. MÉTODO DE SINGULARIDAD

Debido a que las cargas sobre elementos dispuestos como vigas suelen estar dispuestas por conjuntos de entidades discretas, como cargas puntuales o

segmentos de cargas distribuidas que pueden ser discontinuas a lo largo de la viga,

16

resulta difícil representar estas funciones discretas con ecuaciones que sean

válidas a todo lo largo del continuo de la longitud de la viga2. Para solucionar estas situaciones de manera matemática fue ideada una clase especial de funciones,

conocidas como funciones de singularidad. Dichas funciones se representan mediante un binomio entre paréntesis angular. La primera cantidad dentro del paréntesis es la variable de interés “x”, la cual es el largo de la viga, la segunda

cantidad “a” es un para metro definido por el usuario, que representa donde en “x” la función de singularidad está actuando, o empieza a actuar. Por ejemplo, en el

caso de una carga puntual, la cantidad “a” representa el valor particular de “x” en la cual la carga actúa. Estas funciones son llamadas también funciones de impulso unitario, todas las

funciones de singularidad incluyen una limitante condicional la cual depende del tipo de carga que se está representando.

Para cargas distribuidas de manera cuadrática se aplica la ecuación 1 que es una función de parábola unitaria.

<x-a>2 ec.1

La ecuación 1 se define como 0 cuando x ≤ a, y como igual a (x-a)2 cuando x > a.

Las cargas distribuidas de manera lineal pueden representarse por una función de rampa unitaria como se ve en la ecuación 2

<x-a>1 ec. 2

Que se define como 0 cuando x ≤ a, y como igual a (x-a) cuando x > a.

Para las cargas distribuidas a lo largo de una porción de la viga, se formula y

representa mediante una ecuación de función de escalón unitaria. Véase la

ecuación 3

<x-a>0 ec. 3

Se define como 0 cuando x < a, como igual a la unidad cuando x > a y queda

indefinida en x = a.

Una fuerza concentrada puede representarse por una función de impulso unitario

según se muestra en la ecuación 4.

<x–a>-1 ec. 4

2 Robert L Norton (1999) Diseño de Maquinas Prentice hall 1ra ed. E.U.A. Worcester Polytechnic Institude

17

Que se define como 0 cuando x < a, ∞ cuando x = a y 0 cuando x > a, su integral

tiene un valor igual a la unidad en a.

Un momento concentrado puede representarse por una función de doble unitario,

siguiendo la ecuación 5.

<x–a>-2 ec. 5

Definida como 0 cuando x < a, indeterminado cuando x = a y 0 cuando x > a. Esta

función genera en “a” un momento de par unitario.

5.4. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

El método de elementos finitos MEF (o FEA por sus siglas en inglés) consiste en

dividir un modelo de un elemento continuo en fracciones interconectadas por una serie de puntos llamados nodos.

El método común utilizado para la solución de esfuerzos y deformaciones por medio

de ecuaciones diferenciales considera al elemento como continuo dividido en infinitas partes por lo tanto con infinitos grados de libertad e infinitas incógnitas,

mediante el método FEA, se pretende dividir el elemento en partes finitas, con un número finito de incógnitas y grados de libertad, aplicando ecuaciones lineales y no lineales.

Los elementos definen una cantidad discreta de puntos llamados nodos que

conectan entre si los elementos, es en estos puntos en donde se restringen las variables del entorno, para una estructura serían los nodos fijos o nodos a los que

se les aplique determinadas cargas o cambios de temperatura, de manera que cada nodo se verá afectado en su temperatura esfuerzo o desplazamiento según sea el caso. Los grados de libertad de un nodo son las variables que nos determinan el

estado y/o posición del nodo3.

El método de análisis por elementos finitos está dividido principalmente en tres partes:

i) Pre-procesamiento: Corresponde a la construcción, reconocimiento y

división de la geometría en nodos y elementos que será objeto de análisis ya sea por sometimiento a cagas, presiones o distribución de temperaturas, el proceso de reconocimiento y división de la geometría se

llama proceso de mallado, este es un modelo matemático compuesto de 3 Alberto Carnicero (2001) Introducción al método de los elementos finitos (en línea) disponible en formato

html en http://www.iit.upcomillas.es/~carnicero/Resistencia/Introduccion_al_MEF.pdf

18

matrices construido por el software en 1, 2 o 3 dimensiones según sea el

caso, de la geometría a analizar.

ii) Análisis: Como primer paso en esta etapa se establecen las condiciones del entorno de la geometría a analizar (condiciones iniciales), que corresponden a qué puntos serán fijados, es decir que nodos no tendrán

desplazamientos, que nodos serán cargados con fuerzas o momentos, o que superficies compuestas de x cantidad de nodos serán sometidas a

presiones o temperaturas. Seguido de esto el software soluciona el modelo matemático con las condiciones iniciales impuestas.

iii) Post-procesamiento: El software hace visible los resultados aplicando desplazamientos en los nodos, o haciendo visible mediante cambio de

color los cambios de posición, esfuerzo, factor de seguridad, temperatura etc… según sea el caso.

5.5. MÉTODOS DE CURVADO

En el mercado se encuentran diversas alternativas para los procesos de curvado de perfiles de diversos perfiles y tubería, dentro de los perfiles más utilizados en la

industria para procesos de curvado se encuentran los perfiles en “C” , en “I” , en “T” varilla redonda, cuadrada o hexagonal y en Angulo respectivamente en todas sus

dimensiones. A continuación se mencionan las técnicas de curvado más utilizadas junto con sus ventajas, desventajas y perfiles más apropiados para cada técnica.

5.5.1. Laminado en Rodillos

Para la técnica del Laminado, se usa un dado de tamaño apropiado que se ajusta

al tubo de acero, al ángulo, a la tubería, al canal, a la barra o a la viga de acero. En el momento en que el material pase por la máquina, se aplica una presión para doblar la tubería, perfil o viga al radio requerido.

El laminado es eficaz cuando el material necesita ser curvado mucho; puede

producir doblados de hasta 360 grados. Esta técnica es ideal para producir bobinas

o rollos de acero, escaleras de caracol, o en espiral, y otras estructuras similares.

Algunas de las ventajas de este método radican en que se necesitan menos

arreglos o ajustes y el uso de dados prefabricados según la forma del perfil a doblar,

la técnica del laminado cuesta menos que otros métodos de curvar y formar

acero. Se puede hacer el laminado en frio o en caliente, en las figuras 1 y 2 se

muestran dos modelos distintos de una laminadora llamada comúnmente roladora.

19

Figura 1. Maquina roladora de lámina. Directindustry España

Figura 2. Maquina roladora de perfiles. Directindustry España4

5.5.2. Wrap Around (formado alrededor de una matriz)

En el mercado internacional se encuentran diversos tipos de máquinas de este tipo,

con el objetivo de conformar tubería, varilla para construcción, herrajes,

conformación de ganchos entre otras. La maquinaria de este tipo dispuesta para

ensayos de doblez guiado se encuentra en menor medida en el mercado, debido a

que comercialmente es utilizada únicamente en laboratorios, Las figuras 3 y 4

muestran un diseño de una máquina de doblez guiado tipo Wrap Around; está

compuesta por una mesa de trabajo circular con un poco más de ciento ochenta

4 Directindustry España (en línea) citado el 20/09/2014, formato html disponible en: http://www.directindustry.es/cat/maquinas-conformado/maquinas-roladoras-laminadoras-BF-218.html

20

grados de su periferia tallados generando dientes de engranaje5. Estos últimos se

acoplan a un sistema de impulsión hidráulico que usa una transmisión por

engranaje de dientes rectos, cuya energía es aprovechada para impulsar un brazo

que contiene a su vez los soportes necesarios para generar el doblez en la muestra

de ensayo. El radio de doblez de la muestra está gobernado por el diámetro del

rodillo conformante (matriz) que se encuentra concéntrico con el eje de la mesa. El

inventor indica que el radio de doblez de la probeta puede ser seleccionado

mediante el cambio del rodillo conformante y que las piezas solidarias al eje móvil

rotativo son las que realizan el doblez de la pieza. Para la sujeción de la pieza a

ensayar hace uso de mordazas ajustables por tornillo.

Figura 3. Vista superior de máquina de doblez guiado, Triangle Engineering Inc.

5 Triangle Engineering (1975) Bend Test Machine for Welding Coupon Samples, (Hanover, Massachusets, Estados Unidos), Patente nº 3.906.784.

21

Figura 4. Vista isométrica de máquina de doblez guiado. Triangle Engineering Inc.

Si bien el diseño se encuentra suficientemente explícito en su parte constructiva y

operativa a través de todo el documento patente consultado, no es suficientemente claro en algunos problemas tales como:

No se especifica cuáles son los espesores de probeta de ensayo mínimo y máximo que es capaz de doblar la máquina ni cuál es la flexibilidad que presenta

los dispositivos de sujeción para acoplarse a los cambios de espesor de las piezas de ensayo.

No se especifica, o directamente no es viable debido a los detalles de diseño,

cómo obtener adecuada alineación tangencial entre la mordaza que sujeta la pieza de ensayo y la superficie del rodillo conformante (matriz). La patente cita

textualmente: …la superficie de sujeción que es generalmente alineada tangente con la superficie de conformado del rodillo conformante…6 Esta situación es evidente durante un cambio de rodillo conformante, debido a que no es evidente

que la mordaza “42” sea móvil.

La compañía Triangle Engineering Inc. ha implementado como parte de su portafolio de servicios la fabricación y venta del diseño relacionado en la patente

6 Triangle Engineering (1975) Bend Test Machine for Welding Coupon Samples, (Hanover, Massachusets, Estados Unidos), Patente nº 3.906.784. Pag. 5

22

citada que, si bien desde el punto de vista funcional es apropiado y responde a la

necesidad planteada, su costo se hace muy elevado para ser ampliamente aceptado e implementado en la industria general. En la página web del fabricante

se cita un precio base de máquina por ocho mil trescientos dólares (U$ 8.300, tomada de (Triangle Engineering Inc., 2014)) que, a la tasa de cambio regente en el momento de análisis ($ 2.800 por cada dólar), representa una inversión inicial de

($ 23.240.000) con sólo una matriz de conformado; considerando las herramientas y accesorios adicionales que pueden ser adquiridos el costo se eleva hasta los

nueve mil cuatrocientos dólares (U$ 9.400), esto es cercano a los veintiséis millones de pesos colombianos ($ 26’320.000). Es importante como parte de la solución planteada por los autores la reducción sustancial en los costos de fabricación de la

máquina, de esta manera sea viable su producción e implementación en el entorno local.

Otro desarrollo propuesto aplicable a la necesidad es el relacionado en la patente número 2,934,945 registrada en Holanda que, si bien no se encuentra

específicamente diseñado para realizar el ensayo de doblez en uniones soldadas, el principio operativo de la misma puede ser extendido a las uniones soldadas con

éxito. La solución se describe como una máquina de doblez y particularmente a una máquina para doblar tiras de metal de prueba a través de un ángulo especificado y con un radio de doblez especificado7. La máquina funciona mediante el anclaje de

la tira de metal a ensayar entre dos mordazas, una de las cuales tiene mecanizado el radio de doblez sobre el cual se hará el conformado de la pieza de prueba. El

accionamiento de esta máquina se realiza manualmente (palanca) y permite realizar el doblez hasta un ángulo máximo de 180°. La figura 5 ilustra la máquina propuesta por la patente citada:

Figura 5. Máquina para doblez guiado manual. Patente nº 2.934.945 Paises Bajos

Esta máquina tiene algunas desventajas que deben ser consideradas para la solución propuesta en el presente desarrollo tales como:

El accionamiento manual, si bien multiplica considerablemente la fuerza que pueda ejercerse sobre la pieza de prueba, no es suficiente para el amplio margen

7 Patente nº 2.934.945. (1960) Machine for Bending Specimen (Paises Bajos).

23

de espesores y longitudes de muestra que el ensayo de doblez guiado puede

abarcar acorde al código de soldadura o norma aplicable al ensayo particular.

La flexibilidad en adaptación del mecanismo de sujeción es bastante limitada.

Este problema se correlaciona directamente con el primero ya citado, toda vez que los espacios están limitados al espesor de metal a ensayar y la fuerza que se espera sea ejecutada para completar el ensayo.

Similarmente, no es evidente una flexibilidad en la selección del radio de curvatura para la sección de conformado del material ensayado. Se comprende

que una de las mordazas de sujeción lleva el radio de conformado, pero esto puede actuar en detrimento de la efectividad para la sujeción de la pieza de

ensayo y probablemente de la integridad de la mordaza. Además, llevando esta máquina a las aplicaciones de diámetros distintos, se verá la necesidad de fabricar piezas tipo mordaza cuya construcción o mecanizado puede salir

costoso e innecesario.

Finalizando con los diseños de las maquinas wrap around, la patente registrada No° 4,656,872, hace referencia no sólo a una máquina de doblez guiado tipo Wrap Around sino también al método de ejecución, a diferencia de las patentes

analizadas anteriormente. Se describe como un método y aparato para ensayar la ductilidad de una soldadura8. Como el mismo inventor la define esta máquina es

una mejora de diseños anteriores en cuanto a simplicidad, tamaño (más compacto) y facilidad de operación. La figura 6 ilustra la máquina propuesta por esta patente:

Figura 6. Máquina para ensayo de doblez tipo Wrap Around. Patente nº 4.656.872 E.U.A

8 Patente nº 4.656.872 (1987) Wrap-Around Bend Test Method and Apparatus (Estados Unidos)

24

5.5.3. Doblado o Curvado por Prensa

Con la técnica de la Prensa, el acero se dobla introduciendo el tubo, la tubería, el canal, la barra, la viga o en su defecto la probeta en una prensa aplicando una

presión por medio de un punzón y una matriz con la forma o el radio deseado. La prensa hidráulica por su gran capacidad de presión permite curvar perfiles de gran calibre, hasta de 2 pulgadas de grosor según la capacidad de la prensa y de la

forma del punzón y matriz, como desventaja el sistema solo permite variar la figura del doblez cambiando la forma del punzón.

Para los ensayos de doblez guiado y, en general, el doblez de elementos metálicos ya se encuentra dispositivos disponibles a la venta con diversos diseños. Una de

las empresas que fabrica dispositivos y maquinaria para diversos ensayos (entre éstos las de doblez guiado) es INSTRON establecida en Canton, cerca de Boston, Massachusetts.

El dispositivo tipo roller jig fabricado por dicha empresa consta de rodillos de apoyo

móviles con posición graduable, una reglilla guía y arietes de diámetro fijo intercambiables tipo punzón, las figuras 7 y 8 muestran el dispositivo mencionado9.

Figura 7. Dispositivo para doblez guiado tipo roller jig con ariete tipo punzón. Instron Inc.

9 Instron Inc. (en línea) citado el 24/10/2014, formato html disponible en: http://instron.com.es/en/products/testing-systems

25

Figura 8. Punzón intercambiable de dispositivo roller jig según diámetro requerido. Instron Inc.

5.6. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

Es un fenómeno ocurrido a materiales dúctiles producido por deformación plástica

en frío (a temperatura ambiente), generalmente un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente10. A este fenómeno está asociado al trabajo en frío, debido a que la deformación se da a una temperatura

“fría” relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal. En las figuras 9 y 10 se muestra el comportamiento de resistencia al cortante y resistencia a tención del

acero 1040 el bronce y el cobre contra el porcentaje de trabajo en frio. Dicho porcentaje se calcula de la siguiente manera

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑛 𝑓𝑟𝑖𝑜 = 𝐴0− 𝐴𝑑

𝐴0𝑥 100 ec. 6

Donde: A0 es el área transversal del material antes de la deformación Ad es el área transversal del material después de ser deformado

10 Universidad Centroamericana José Simón Cañas (en línea) citado el 30/10/2014, formato html disponible en: http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2011.pdf

26

Figura 9. Resistencia al esfuerzo cortante versus porcentaje de trabajo en frio, Universidad

Centroamericana José Simón Cañas.

Figura 10. Resistencia de esfuerzo a tensión versus porcentaje de trabajo en frio, Universidad

Centroamericana José Simón Cañas.

Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo

en frío, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se muestra en las figuras 9 y 10.

27

Figura 11. Ductilidad versus porcentaje de trabajo en frio, Universidad Centroamericana José Simón Cañas

El fenómeno de endurecimiento por deformación se debe a que todo metal posee dislocaciones o discontinuidades en su estructura cristalina, cuando se aplica una

fuerza sobre el material las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número y al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil

su movimiento. De esta manera ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de

una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido. Este fenómeno se refleja en la curva esfuerzo – deformación unitaria del material.

Un material perfectamente plástico tiene una zona plástica horizontal, tal como se ilustra en la figura 12.

Figura 12. Curva esfuerzo versus deformación unitaria, Universidad Centroamericana José Simón

Cañas

En los metales reales, la curva esfuerzo deformación tiene la tendencia mostrada

en la figura 13.

28

Figura 13, Comportamiento real del material deformado, Universidad Centroamericana José Simón

Cañas

5.7. FORMACIÓN DE CUELLO O ESTRICCIÓN

Durante una prueba de tensión o cualquier esfuerzo excesivo a que sea sometido un material de manera que llegue a punto de ruptura, en el esfuerzo último, el área

de la sección transversal comienza a disminuir en una zona localizada del material, en lugar de hacerlo en toda su longitud. Este fenómeno es causado por planos de deslizamiento que se forman dentro del material y las deformaciones producidas

son causadas por esfuerzos cortantes. Como resultado, tiende a desarrollarse una estricción o cuello en esta zona a medida que el espécimen se alarga cada vez más.

Puesto que el área de la sección transversal en esta zona está decreciendo continuamente, el área más pequeña puede soportar solo una carga siempre decreciente. De aquí que el diagrama esfuerzo –deformación tienda a curvarse

hacia abajo hasta que la probeta se rompe en el punto del esfuerzo de fractura o esfuerzo último11.

5.8. PARAMETRIZACIÓN EN UN DISEÑO

La parametrización es un método que permite asociar las características dimensionales y geométricas, de piezas y ensambles de piezas a ser diseñadas, con variables de diseño que puedan relacionarse de manera funcional a partir de

11 R.C. Hibbeler Mecánica de Materiales (2006) Prentice Hall 6ta ed.

29

diferentes criterios, tales como, resistencia mecánica, comportamiento vibracional,

comportamiento térmico, proporcionalidad ergonómica, relaciones estéticas, normalización e incluso expresiones empíricas surgidas de la experiencia del

diseñador12. En un diseño se deben tener en cuenta diferentes tipos de parámetros, a fin de

correlacionar todas las variables inherentes al funcionamiento y ambiente del objeto de diseño. Dichos parámetros se pueden clasificar de la siguiente forma.

Internos o de diseño: Corresponden básicamente a los parámetros que definen la geometría de la pieza tales como largos, ángulos, diámetros, espesores,

paralelismo, concentricidad, etc. Objetivamente se refiere a todas las características físicas inherentes al objeto.

Parámetros de estado: se refieren al comportamiento de la geometría del diseño cuando interactúan con factores externos o el entorno en el cual interactúan, en el

caso del diseño mecánico se encuentran los esfuerzos, las deformaciones, ventaja mecánica, velocidades, aceleraciones, relaciones de proporcionalidad, frecuencias

a las que esté sometido y de igual manera temperaturas, desplazamientos iniciales, flujos de entrada o presiones. Debido al medio de interacción se deben establecer o calcular los resultados de las relaciones entre el comportamiento del objeto de

diseño y dicho medio, los resultados restringirán las dimensiones y geometría del objeto.

5.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD

También comúnmente llamado QFD (por sus siglas en inglés Quality Function Deployment) es un método de diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y las traduce, en pasos sucesivos, a

características técnicas y operativas satisfactorias.

El núcleo del QFD es un mapa conceptual que relaciona los requerimientos de los clientes “RC” con las características técnicas “CT” necesarias para satisfacerlos. Estas relaciones se presentan en forma de una tabla elaborada llamada "matriz de

la calidad" Tomados en su conjunto, los “RC” definen la calidad de un producto y son las expresiones que los clientes utilizan para describir los productos y sus

características deseables. Asociada con cada “CT” existe una métrica, que se usa para determinar el grado de satisfacción de los clientes con cada uno de sus requerimientos. Esta medida es fundamental para la mejora continua

12Aguayo & Soltero (2003). Metodología del diseño industrial Un enfoque desde la ingeniería concurrente. Alfaomega

RAMA. Mexico.

30

La matriz utiliza simbología para determinar el grado de relación entre los RC y las

CT, también la utiliza para determinar el grado de satisfacción del cliente con las características del producto hecho por la compañía y el hecho por la competencia.

Los símbolos utilizados son los siguientes: Relación Fuerte Ɵ Moderada Relación O

Débil Relación ▲ Fuerte Correlación Positiva ++

Correlación Positiva + Correlación Negativa - Fuerte Correlación Negativa --

Objetivo es Reducir al Mínimo ▼ El Objetivo es Maximizar ▲

El Objetivo es Golpear la Blanco X

La figura 14 contiene el esquema del QFD con un ejemplo práctico de un producto farmacéutico, el ejemplo muestra la manera de utilizar el mismo.13

Figura 14. QFD producto farmacéutico. QFD Conceptos, Aplicaciones y Nuevos Desarrollos.

13 Enrique Yacuzzi, Fernando Martín, Aventis Pharma (1995) QFD Conceptos, Aplicaciones y Nuevos

Desarrollos,Universidad del CEMA. Argentina.

31

La matriz de la calidad contiene otros elementos importantes que se puede visualizar en la figura tales como:

a) Una columna con la prioridad que los clientes asignan a cada RC. b) Una columna que compara, para cada RC, a los productos de "nuestra

empresa" con los de la competencia, según la evaluación del cliente. c) Una fila que pondera numéricamente la importancia de cada CT con

respecto a las demás. d) Una evaluación técnica comparativa de las CT de "nuestro producto" con las

CT de uno o varios productos de la competencia.

e) Un valor objetivo fijado para cada CT. f) Un panel triangular que indica la correlación existente entre las distintas CT.

32

6. METODOLOGÍA

6.1. FASE DE DOCUMENTACIÓN

Según los requerimientos y funciones solicitados por la empresa Soldaduras West

Arco para el mecanismo, se investigó arduamente la normativa, luego de

especificar las condiciones de construcción y funcionamiento de la máquina se

procedió a investigar en internet alternativas de diseño disponibles en el mercado,

para el diseño en detalle se tomaron gran cantidad de fuentes tales como fichas

técnicas de equipos relacionados con doblez, artículos especializados y libros

teóricos de diseño mecánico.

6.2. FASE DE DISEÑO

6.2.1. Diseño teórico

La máquina o dispositivo para realización de dobleces tiene unas características

propias de fabricación y funcionamiento (características técnicas CT), y además

debe de cumplir con las expectativas de quien la necesita (requerimientos del

cliente RC), teniendo en cuenta esto se realizara un esquema de QFD (Tabla 1)

teniendo en cuenta las CT y los RC con el fin de aproximarnos mucho más a los

requerido por el cliente (West Arco). Complementando esto se tendrán en cuenta

criterios de diseño industrial generales para realizar una matriz binomial, esto con

el fin de determinar porcentajes de importancia de dichos criterios de diseño.

6.2.1.1. Requerimientos del Cliente

i) Las probetas o material a doblar debe ser sujetado firmemente antes de ser

doblado, de manera que no ocurra desplazamiento durante el doblez, esto

para efectos de que el doblez quede exactamente en el lugar requerido.}

ii) El dispositivo o maquina debe ser capaz de doblar como máximo un material

de espesor de ½ pulgada con un ancho de 1.5 pulgadas en material de acero

inoxidable austenitico o en aceros de menor resistencia.

iii) Se debe disponer de una reglilla con un tope graduable para localizar el

doblez a la distancia requerida

33

iv) El dispositivo debe operar en condiciones normales sin sufrir deformación

permanente o daños a en sus componentes.

v) La operación del mismo debe ser segura, es decir, operarla no debe

representar ningún riesgo.

vi) El dispositivo realizara dobleces solo de hasta 180°, al llegar a la posición

debe retornar automáticamente o en su defecto simplemente parar.

6.2.1.2. Características Técnicas

a) Potencia entre 0.5 a 2 Hp

b) Velocidad del curvado cercana a 1.5 rpm

c) Piezas de formado con diferentes diámetros intercambiables

d) Prensa de fijación de tornillo

e) Reglilla de medición con topes

f) Detención automática del mecanismo al finalizar una operación

RC/CT Prioridad a b c d e f

A 5 O ▲ Ɵ

B 3 Ɵ Ɵ O Ɵ

C 2 ▲ ▲ Ɵ

D 5 Ɵ

E 2 ▲ O ▲ Ɵ

F 3 Ɵ ▲ Ɵ

Valor de la característica técnica y

sus unidades

1-

1.5w

1.5rpm Ø30-

100mm

N/A 30cms 1vez

Ponderación de importancia de las características técnicas (%)

Tabla 1. QFD evaluación de los RC (en letras mayúsculas) contra las CT (en letras minúsculas)

que cumplen con dichos requerimientos. Fuente Autor

Relación Fuerte Ɵ

Moderada Relación O Débil Relación ▲

Fuerte Correlación Positiva ++ Correlación Positiva + Correlación Negativa -

Fuerte Correlación Negativa --

34

6.2.1.3. Criterios de diseño

i) Durabilidad

ii) Desempeño.

iii) Seguridad.

iv) Facilidad de fabricación.

v) Facilidad de operación.

vi) Bajo costo inicial.

vii) Bajos costos de operación y mantenimiento.

viii)Usar materiales y componentes de fácil compra.

ix) Facilidad de servicio o de reemplazo de componentes

En la tabla 1 se muestran los criterios anteriormente mencionados y su porcentaje

de importancia para el diseño de la maquina propuesta.

Criterio/ Criterio

a b c d e f g h i Total Porcentaje (%)

a 0 1 1 1 1 1 0 1 6 16.7

b 1 1 1 1 1 1 1 1 8 22.2

c 0 0 1 1 1 1 0 1 5 13.9

d 0 0 0 0 0 0 1 1 2 5.6

e 0 0 0 1 1 1 0 1 4 11.1

f 0 0 0 1 0 0 0 1 2 5.6

g 0 0 0 1 0 1 0 0 2 5.6

h 1 0 1 0 1 0 1 0 4 11.1

i 0 0 0 0 0 1 1 1 3 8.3

Total 36 100 Tabla 2. Criterios de diseño para la máquina. Fuente autor.

6.2.1.4. Dispositivos de referencia

Analizando la maquinaria disponible en el mercado para la realización de dobleces

se escogió el dispositivo tipo Roller (Wrap Around – Envolvente) el cual tiene los

requisitos y criterios mencionados anteriormente en el esquema QFD.

Para entender porque es conveniente escoger el diseño del dispositivo tipo Roller

es también importante partir desde la definición de cada uno de los JIG acorde a la norma BS EN ISO 5173:2010 Destructive Tests on Welds in metallic Materials –

Bend Tests usada como referencia y lo indicado por el código de soldadura ASME Sección IX:2013 en cuanto a su diseño.

35

A continuación se explicaran las características ambos tipos de dispositivos,

complementando la información del marco teórico con lo indicado por la norma ASME IX y la BS EN ISO 5173:2010, esto con el fin de escoger el dispositivo que

se acerque más a los criterios de las tablas 1 y 2.

i) Dispositivo tipo Former (Tipo U): En este tipo de JIG el espécimen de prueba

se ubica entre dos soportes consistentes en dos rodillos paralelos o en una matriz con forma de U, con el eje axial de la soldadura ubicado exactamente

en la mitad del espacio libre entre los rodillos o del espacio de la matriz en U tal como se muestra en la figura 15. El ensayo se realiza ejerciendo presión con un tercer rodillo o matriz en el centro de la probeta, de manera que la

superficie de la soldadura a inspeccionar esté en el lado convexo una vez ensayada la probeta.

Figura 15. Dispositivo Former. Norma BS EN ISO 5173:2010

ii) Dispositivo tipo Roller (Wrap Around – Envolvente): En este tipo de JIG el

espécimen de ensayo se sujeta firmemente por uno de sus extremos

36

paralelo y ubicado en medio de dos rodillos, uno que actuará como

conformante (fijo) y uno que ejerce mediante movimiento rotacional el esfuerzo para curvar el espécimen de ensayo. Se comprende que la cara

convexa a ser evaluada quedará del lado del rodillo rotacional (externo) en tanto que la curvatura dada a la pieza corresponderá aproximadamente al radio del rodillo central. La figura 16 es un esquema de lo anteriormente

explicado14.

Figura 16. Dispositivo tipo Roller (Wrap-Around).Norma BS EN ISO 5173:2010

6.2.1.5. Ventajas y Desventajas De Los Dispositivos tipo Former y Wrap Around

Con lo relacionado al momento, además de lo referido directamente por las normas

de referencia, se puede indicar las siguientes ventajas y desventajas:

i) Directamente indicada por la norma ISO de referencia, el dispositivo tipo

Roller es útil y preferido para el ensayo de materiales con diferente esfuerzo de fluencia o porcentaje de elongación unidos por soldadura (inclusive si son

de la misma naturaleza, por ejemplo un AISI 4140 con un ASTM A36), materiales unidos por soldadura con diferente resistencia mecánica (ductilidad, tracción) y para hacer dobleces en aluminio.

ii) En los dispositivos tipo Former se presenta la posibilidad de deslizamiento

de la probeta durante el ensayo debido a que la probeta puede moverse y perder el centro del eje axial de la soldadura respecto de la línea de centro del “punzón” (tercer rodillo de conformado que ejerce el esfuerzo de doblez).

14 BS EN ISO 5173:2010. Destructive Tests on Welds in metallic Materials -Bend Tests

37

Si esto sucede existen dos opciones: controlar los movimientos anormales

de la probeta en la via horizontal a través de golpes (martillo) con la consecuente deformación de la pieza en sus extremos (y adicionando que

éste método no garantiza conservar el paralelismo); la otra opción es repetir el ensayo, toda vez que la parte central de la soldadura a ser ensayada debe estar como requisito de ensayo en la parte más convexa de la curva

generada en el espécimen. Los dispositivos tipo Roller reducen esta problemática en gran cuantía, porque al tener un extremo de la probeta fijo

no se presentan (teóricamente) deslizamientos anormales y queda al diseño del movimiento del rodillo conformante la curvatura generada en la pieza, la cual es sencilla de controlar con los diámetros de rodillo central y

conformante así como con el método de sujeción de la probeta y el radio de giro de la pieza.

iii) La operación y montaje previo al ensayo de un dispositivo tipo Roller no es

tan complejo como el de un sistema Former, ya que en el segundo se debe

realizar montaje de dos dispositivos en tanto el primero demanda sólo uno. En el dispositivo Former, además, debe verificarse el centramiento del

plunger (punzón) respecto de la matriz en U o del espacio entre rodillos.

iv) Los materiales con distinta ductilidad, porcentaje de elongación o resistencia

a tracción en una cantidad considerable (por ejemplo un material de menos de 10% de elongación o materiales con distintos porcentajes unidos por soldadura) pueden ser ensayados casi que exclusivamente en el dispositivo

tipo Roller, ya que los deslizamientos y posibilidad de rotura de la probeta son reducidas respecto del Former. El esfuerzo que realiza el Roller sobre la

pieza es menos agresivo con la pieza que el Former, ampliando su rango de acción. Ver primera y segunda razón como referencia.

v) El dispositivo Roller puede ser montado por un menor costo de fabricación

que el dispositivo Former. Esto debido a que no demanda el uso de máquinas adicionales (tal es el caso actual a mejorar con el proyecto; los

dispositivos Former actuales demandan el uso de la máquina universal de ensayos o una prensa hidráulica en su defecto, restringiendo su disponibilidad).

vi) Los accesorios requeridos por el dispositivo Roller serán de menor complejidad y cuantía que los requeridos para el dispositivo Former. En el

primero bastará un cambio de dos rodillos según diámetro requerido y el espaciamiento entre los mismos, mientras que en el segundo se precisa de

cambio de tres rodillos (apoyos y conformador), espaciamiento entre los mismos, alineación, fuerza y control de posición de la probeta.

vii) El dispositivo Former, sin embargo, tiene una ventaja y es que su punto de final de ensayo es de mayor facilidad en control que en el dispositivo Roller. Con el primero es sencillo observar el punto final de carrera en la matriz; en

38

tanto el segundo, al tratarse de un movimiento rotacional, demanda mayor

control en el accionamiento para efecto de final de carrera o desplazamiento. En esencia, demandará más pruebas de sacrificio en diseño el dispositivo

Roller que el dispositivo Former.

viii)La formación del operador de dispositivos requerirá menos tiempo e

inversión previa en el dispositivo Roller que en el Former, toda vez que la naturaleza del dispositivo Roller permite automatizar o pre establecer más parámetros que el Former: por ejemplo la posición de la probeta durante el

ensayo para obtener la curva deseada.

ix) De acuerdo a las experiencias en trabajo práctico, los daños accidentales o

incidentales tienen mayor afectación en los dispositivos Former que en los Roller. Por ejemplo, si accidentalmente se deja aplicada la carga en la máquina universal de ensayos, puede haber choque entre la matriz y el

conformador que llevará a rotura o deformación de las piezas. El dispositivo Roller minimiza dicho riesgo toda vez que los dispositivos corren menos

riesgo de entrar en contacto directo (mirando los rodillos) y los esfuerzos en los dispositivos (si llegase a darse contacto) son mucho menores (uno desliza sobre el otro, en lugar de presionarse mutuamente como sucedería

en el Former).

6.2.2. Diseño Detallado

De la información obtenida de la construcción de los dispositivos Wrap Around, se

desarrolló una disposición de dicha maquina con características de funcionalidad

requeridas para la realización de los dobleces, la maquina dispone principalmente

de un rodillo de formado, un rodillo de presión y un sistema de sujeción, dentro de

los requerimientos incluidos están: la opción de intercambio de sus rodillos de

formado al igual que los ejes en donde van estos para así disponer de diversos

radios de doblez entre (8.8mm y 76.2mm), un recorrido angular suficiente (200°)

limitado por finales de carrera a 180° y una velocidad de recorrido adecuadas para

la función a realizar la cual según la norma AWS B4.0 en el numeral 6.8.1 debe de

ser entre 15 segundos y dos minutos, tentativamente se escogió una velocidad de

1.36 rpm, velocidad con la que recorrerá 180° en 22 segundos. La disposición de

la maquina se muestra a continuación en la figura 17:

39

Figura 17. Disposición de la máquina. Fuente autor

La fuente de potencia es un moto-reductor de 2 Hp con una reducción de 20:1,

posteriormente se mencionara en los cálculos de los elementos de transmisión de

potencia del porqué de esta configuración.

Como se mencionó anteriormente en los requerimientos del cliente el dispositivo o

maquina debe ser capaz de doblar como máximo un material de espesor de ½

pulgada con un ancho de 1.5 pulgadas en una diversa variedad de materiales

enlistados en la norma ASME IX páginas 76 a la 13315, la columna (Mínimum

Specified Tensile) especifica la tensión que debe alcanzar cada acero para el

ensayo a tracción de la soldadura. La tabla 3 muestra la primera página del listado

de materiales de la norma ya mencionada.

15 ASME IX Boiler & Pressure Vessel Code (2010).QUALIFICATION STANDARD FOR WELDING AND BRAZING

PROCEDURES, WELDERS, BRAZERS, AND WELDING AND BRAZING OPERATORS

40

Tabla 3. Listado de materiales a ensayar. Fuente ASME IX:2010 pág. 76

Debido a que en el acero se efectuará una deformación permanente, durante el proceso de curvado sufrirá esfuerzos superiores a los del límite de fluencia y cercanos a los de la resistencia ultima a la tracción, se tomara el rango de los

esfuerzos más altos especificados en la lista de materiales de la norma (520-700Mpa) para efectos del cálculo del torque necesario en la máquina.

41

6.2.2.1. Análisis de cargas en la probeta

La probeta estará sometida a flexión, el cálculo a efectuar es el típico caso de una viga en voladizo, cabe mencionar que con un rodillo de doblez de diámetro de 76.2

mm (3 in) y una probeta de ½ in de grosor se causara el mayor esfuerzo al mecanismo, es por esto que se desarrollan los cálculos con esta configuración.

Debido a que el rodillo de presión gira libremente, este rodara sobre la probeta a medida que se vaya doblando, esto significa que no habrá fricción entre las superficies de ambos. En la figura 18 se muestra la disposición de la probeta, el

rodillo de formado y el rodillo de presión junto con las fuerzas involucradas durante el funcionamiento del mismo.

Figura 18. Fuerzas involucradas en durante el doblez de la probeta. Fuente autor.

Según se muestra en la figura 18 la fuerza R será la que efectué el doblez, la fuerza P será la reacción de la probeta que se resiste al doblez, la fuerza A será la que

mueva el mecanismo y la fuerza Py componente de P, la que se oponga a la fuerza A: ∑ 𝑦 = −𝐴 + 𝑃𝑦 = 0 𝐴 = 𝑃𝑦 ec. 7

∑𝑥 = −𝑅 + 𝑃𝑥 = 0 𝑅 = 𝑃𝑥 ec. 8

𝑃𝑦 = P (sin 3.38) = 𝐴 ec. 9

Calculando la fuerza P necesaria para inducir un esfuerzo de 700 Mpa se podrán

hallar las demás fuerzas mencionadas anteriormente. La figura 19 ilustra una sección de la probeta, en la que se muestra su área transversal, su punto de apoyo sobre el rodillo de formado y el área sobre el que se hará la fuerza P que la deforme:

42

Figura 19. Sección de la probeta sobre la que aplicara presión. Fuente autor.

El esfuerzo causado por el momento flector es:

𝜎 =𝑀𝑐

𝐼

En donde:

𝑀 = 𝑃(𝑥𝑓 − 𝑥𝑖) 𝑐 =𝑡

2 𝐼 =

𝑏𝑡3

12

Siendo t el espesor de la probeta, b el ancho de la misma, (xf-xi) la distancia del

punto de apoyo a la aplicación de la fuerza. De manera que:

𝜎 =𝑃(𝑥𝑓−𝑥𝑖)

𝑡

2𝑏𝑡3

12

=6𝑃(𝑥𝑓−𝑥𝑖)

𝑏𝑡2 = 700𝑀𝑝𝑎 ec.10

𝑃 =𝜎𝑏 𝑡2

6(𝑥𝑓−𝑥𝑖)=

(7𝑥108 𝑁/𝑚2 )(0.0127𝑚 )(0.0381𝑚2 )

6(0.003𝑚 )= 238978 𝑁 = 239 𝐾𝑁 ec.11

Recordando la ec.9 tenemos:

𝐴 = 239000 𝑁(sin 3.38) = 14090 𝑁

Mediante el software ANSYS se simuló la aplicación de fuerzas al modelo de

probeta con las medidas especificadas en el código ASME Sección IX ya mencionadas anteriormente. La fuerza aplicada, las caras fijas en las geometrías de los elementos y los resultados se muestran en la figura 20 y en la tabla 4:

43

Figura 20 aplicación de carga a la probeta de ½ pulgada presionada contra el rodillo de formado. Fuente autor

Resultados ANSYS Workbench para la probeta

Nombre Objeto Soporte fijo Soporte

fijo 2

Soporte

fijo 3 Fuerza

Estado Totalmente definido

Alcance

Método de determinación del alcance

Selección de Geometría

Geometría 1 cara

Definición

tipo Soporte fijo fuerza

Suprimida No

Definido por Vector

Magnitud 2,39e+005

N

Dirección Definida

44

Tabla 4 Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria y deformación total para la

probeta sometida a carga. Fuente Autor.

El esfuerzo de 721.53 Mpa mostrado en los resultados se encuentra dentro del rango de esfuerzos requeridos en la tabla 2, dicho esfuerzo obtenido con una carga de 239.000 N distribuido en una área de 10 mm x 1.5 in en la probeta presionada

contra el rodillo de formado, recordando la ec. 10 el esfuerzo esperado era de 700 Mpa de manera que hay una desviación de los resultados en un 3 %.

6.2.2.2. Análisis de cargas sobre la corona

Recordando la figura 18 la fuerza A se sitúa en un radio de giro de 50.8 mm respecto del eje del rodillo de formado, el eje del rodillo de presión se encuentra a 80.8 mm

respecto del eje del rodillo de formado, de manera que haciendo sumatoria de Momentos sobre el eje del rodillo de formado se hallara la fuerza sobre el eje del rodillo de presión:

∑ 𝑀 = −(50.8𝑚𝑚)𝐴 + (80.8𝑚𝑚)𝐹𝑝 = 0 𝐹𝑝 =50.8𝑚𝑚 (14080 𝑁)

80.8𝑚𝑚= 8852 𝑁

La corona aplicara la fuerza Fp a un radio de 80.8mm, lo que resulta en un torque Tc: 𝑇𝑐 = (8852 𝑁)(0.0808𝑚) = 715𝑁𝑚 ec. 12

Como sistema de transmisión de potencia se tiene un conjunto sin-fin corona con una relación de 1/64 (1 vuelta de la corona por cada 64 vueltas del sin-fin), en donde

la corona transmitirá el torque calculado anteriormente, tentativamente se realizó el modelo de este conjunto en base un módulo 4.5, con un hilo en el sin-fin y una corona de 64 dientes, las medidas detalladas y especificaciones de este conjunto

se encuentran en los anexos ##. La corona tiene un diámetro primitivo dc = 288 mm con lo cual se procede a calcular la fuerza tangencial en la corona (Wtc), es decir

la ejercida sobre los dientes de la misma16.

𝑟𝑐 =𝑑𝑤

1000∗2=

288𝑚𝑚

2000= 0,144𝑚 ec. 13

16 Robert L Norton (1999) Diseño de Maquinas Prentice hall 1ra ed. E.U.A. Worcester Polytechnic Institude

Resultados

Nombre Objeto Deformación

total

Deformación

Elástica Equivalente

Esfuerzo Equivalente

Mínimo 0, mm 2,7825e-008

mm/mm 2,3852e-003

MPa

Máximo 0,12593 mm 3,877e-003

mm/mm 721,53 MPa

45

𝑊𝑡𝑐 = 𝑇𝑐

𝑟𝑐=

715𝑁𝑚

0.144𝑚= 4965.27 𝑁 ec. 14

Como ya es sabido en la geometría del sinfín y la corona se tienen un ángulo de presión (α) y un ángulo de hélice (β) que desencadenan componentes de carga radiales y axiales además la componente de la fuerza tangencial Wtc, según el

modulo y numero de dientes de la corona (64) estos ángulos corresponden a 20° y 7.125° respectivamente. Debido a la forma de acoplamiento del sin-fin y la corona,

los ejes de los mismos siempre quedaran perpendiculares entre sí de manera que la componente axial del sin-fin (Was) seria:

𝑊𝑎𝑠 = 𝑊𝑡𝑐 =2𝑇𝑐

𝑑𝑐= 4965.27 𝑁 ec. 15

De la misma manera la fuerza axial sobre la corona (Wac) es igual a la fuerza

tangencial sobre el sin fin Wts:

𝑊𝑎𝑐 = 𝑊𝑡𝑠 =2𝑇𝑠

𝑑𝑠 ec. 16

Donde:

𝑊𝑎𝑐 = 𝑊𝑡𝑐. tan 𝛽 = 4965.27𝑁 ∗ 𝑡𝑎𝑛 7.125° = 620.66 𝑁 ec. 17

Por geometría del sinfín según su módulo se tiene un diámetro primitivo ds = 40

mm por lo tanto:

𝑇𝑠 =𝑊𝑎𝑐 .𝑑𝑠

2=

620.66 𝑁∗0.040𝑚

2= 12,4172 𝑁𝑚 ec. 18

La fuerza radial que separa a ambos elementos es:

𝑊𝑟 =𝑊𝑡𝑐.𝑡𝑎𝑛𝛼

𝑐𝑜𝑠𝛽=

4965 .27𝑁 𝑡𝑎𝑛20

𝑐𝑜𝑠7 .125= 1821.27 𝑁 ec. 19

La carga total para ambos elementos está dada por:

𝑊 =𝑊𝑡𝑐

𝑐𝑜𝑠𝛽 .𝑐𝑜𝑠𝛼=

4965 .27𝑁

𝑐𝑜𝑠7.125 𝑐𝑜𝑠20= 5325.05 𝑁 ec. 20

Utilizando ANSYS se simulo el efecto de la carga W = 5325.05 N sobre el modelo de la corona.

Se debe tener en cuenta además de la carga a la que será sometido, las condiciones de desgaste del conjunto sin-fín corona y el ciclo de vida que deben

cumplir, que tentativamente será de un periodo muy extendido o vitalicio, es decir sin posibilidades de falla por fatiga. Adicional al análisis estático se analizaran las

46

condiciones de desgaste para este conjunto sin-fin corona. La figura 21 muestra la

simulación de la carga sobre únicamente uno de los dientes, la tabla 5 muestra resultados de deformación total y esfuerzo máximo equivalente (Von-mises).

Figura 21. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la carga total en el conjunto sinfín

corona. Fuente Autor.

Resultados ANSYS Workbench para la corona

Nombre Objeto Fuerza Soporte fijo

1 Soporte fijo

2 Soporte fijo

3

Estado Totalmente Definido

Alcance

Método de

determinación del alcance

Selección de Geometría

Geometría 1 cara

Definición

Tipo Fuerza Soporte fijo

Definido por Vector

Magnitud 5325,1 N

Dirección definida

47

Tabla 5 Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria, deformación total y análisis de fatiga para la corona sometida a carga de operación. Fuente Autor.

Con un esfuerzo máximo de 107.99 Mpa y un factor de seguridad de 2.3151 se

puede decir que hay un sobre dimensionamiento de la corona, pero hay que recordar que este elemento debe ser diseñado para operación vitalicia.

El material con que será fabricada la corona es el acero SAE 8620, que a diferencia de los aceros SAE 4140, SAE 4340 solo recibe dureza superficial con tratamiento

termoquímico de cementado, apropiado para dar más resistencia superficial a los dientes de los engranes y así evitar la picadura en los dientes, dicho tratamiento es aconsejable cuando las superficies de la pieza están muy bien pulidas. En la tabla

6 encontramos la composición típica de este acero17.

Composición química C% Mn% Si% Ni% Cr% Mo%

Análisis típico en % 0.20 0.80 0.04 0.04 0.50 0.20

Tabla 6. Composición química del acero SAE 8620 Tomado y adaptado de Compañía General de Aceros.

Se mencionó anteriormente que el motoreductor tiene una relación de 20:1, los motores de baja revolución trifásicos en promedio operan a 1750 rpm por lo que la

salida en el eje del reductor se tienen 87.5 rpm, este se acopla al sin-fin que trasmitirá la potencia a la corona con una reducción de 64:1, por lo que el doblez se ejecutara a 1,36 rpm (0.02266 rps) de lo cual se dedujo una velocidad angular w

= 0.1424 rad/s.

La norma AGMA (American Gear Manufacturers Association) define la potencia de entrada a un sistema de engranes como18:

Φ = Φ0 + Φf ec. 21

17 Catalogo acero SAE 8620-Compañía General de Aceros (en línea) citado el 10/01/2015 disponible en: http://www.cga.com.co/ 18 Norma AGMA Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spur and Helical Gear Teeth. American Gear Manufacturers Association 2001

Nombre Objeto Deformación

Total

Deformación

elástica equivalente

Esfuerzo equivalente

Energía de deformación

Resultados

Mínimo 0, mm 4,4045e-008

mm/mm 3,5485e-003

MPa 3,7054e-010 mJ

Máximo 1,3513e-002

mm 5,5694e-004

mm/mm 107,99 MPa 0,323 mJ

Factor de seguridad 2,3151

48

Donde Φf es la potencia perdida por fricción en el acoplamiento. La potencia de

salida del sistema sinfín-corona Φ0 (en Watts) se define de la forma:

Φ0=𝑁𝑠 𝑊𝑡𝑐 𝑑𝑐

1.91𝑒7 𝑚𝑔=

87.5 ( 4965 .27𝑁 )(288)

1.91𝑒4 (64)= 102.3599 𝑊 ec. 22

Y la potencia perdida Φf (en watts) se define de la forma:

Φf= 𝑉𝑡 . Wf ec. 23

La velocidad de rotación del sinfín Ns está en rpm, la velocidad de deslizamiento tangencial Vt está en m/s, las cargas Wtc y Wf están en Newton.

Por la geometría del sinfín para un módulo 4.5 tenemos un diámetro primitivo ds =

40 mm, como ya se había mencionado a la salida del reductor se tienen 87.5 rpm, de manera que la velocidad tangencial en el diámetro de paso del sinfín es:

𝑉𝑡 =𝜋 𝑁𝑠 𝑑𝑠

60000𝑐𝑜𝑠𝛽=

3.1416(87.5)(40)

60000 cos 7.125= 0.18468 𝑚/𝑠 (36.35 𝑓𝑡/𝑚𝑖𝑛) ec.24

La fuerza de fricción Wf sobre la corona es:

𝑊𝑓 =𝜇 𝑊𝑡𝑐

𝑐𝑜𝑠𝛽𝑐𝑜𝑠𝛼 ec.25

El coeficiente de fricción en un acoplamiento de un engranaje de sinfín no es

constante. Es función de la velocidad. AGMA propone la siguiente relación para engranes de acero según la velocidad tangencial en ft/min:

Si Vt = 0 m/s µ= 0.15 Si 0 < Vt < 10 fpm (0.05 m/s) µ= 0.124e(-0.074Vt0.645)

Si 10 fpm (0.05 m/s) < Vt µ=0.103e(-0.110Vt0.450) + 0.012 ec.26 Aplicando la última ecuación se tiene:

µ=0.103e(-0.110 (36.35) 0.450) + 0.012 = 0.029

Entonces:

𝑊𝑓 =0.029(4965.27𝑁)

𝑐𝑜𝑠7.125 𝑐𝑜𝑠20= 154.42𝑁

Recordando la ec. 23 para la potencia perdida por fricción en engranes sinfín-corona da como resultado:

49

Φf= 0.18468 ∗ 154.42 = 28.52 W

La potencia de entrada a los engranes según la ec. 21 sería entonces de:

Φ = Φ0 + Φf = 102.36W + 28.52W = 130.88 W (0.175 Hp)

Hay que tener en cuenta que el arranque del motor va a ser bajo carga plena, es decir, apenas inicie la rotación del moto-reductor ya estará doblando las probetas de ensayo, además de esto se debe de tener en cuenta la eficiencia del moto

reductor, en la tabla 7 se especifican valores de eficiencias para un reductor sinfín-corona de marca REM ref. REM040 según configuración interna del reductor19.

Reductor REM 040

i Z1 β mx nd ns

7.5 4 18°26’06’’ 2 87.30% 71.24%

10 4 15°56’43’’ 1.5 85.30% 67.24%

15 2 11°18’36’’ 2 81.00% 59.27%

20 2 8°07’48’’ 1.5 76.40% 53.87%

25 1 7°07’30’’ 2.5 73.80% 50.18%

30 1 5°42’38’’ 2 69.70% 44.81%

40 1 4°05’08’’ 1.5 63.00% 38.77%

50 1 3°48’51’’ 1.25 60.40% 35.07%

60 1 2°51’45’’ 1 54.20% 29.90%

80 1 2°17’26’’ 0.75 48.20% 25.95%

100 1 2°28’53’’ 0.65 48.50% 24.77% Tabla 7. Valores de eficiencias de motoreductores ref. REM040. Soltecna. Catálogo de reductores

REM

De la tabla 7, i es el factor de reducción, z1 número de hilos del reductor, 𝛽 el ángulo

de hélice, mx el modulo, nd eficiencia con velocidades mayores a 1400 rpm, y ns

eficiencia estática. Se había mencionado anteriormente que el moto reductor escogido es de un factor

de reducción de 20:1 de manera que la eficiencia dinámica nd esperada será de 76.4% y la eficiencia estática ns de 53.87%. Teniendo en cuenta que el motor

arranca bajo carga la potencia de salida Ws calculada será de: 𝑊𝑠 = (0.5387)(0.5𝐻𝑝) = 0.26935𝐻𝑝(200.9 𝑤) ec. 27

6.2.2.3. Análisis de cargas en el sinfín

19 Soltecna-catálogo de reductores sinfín corona Ref. REM040 (en línea) citado el (2/01/2015) disponible en: http://www.soltecna.com/doc/es-catalogo-rem-.pdf pag. 9.

50

Como se mencionó anteriormente, en la ec. 20 esta especificada la carga total para el conjunto de sinfín-corona Wc = 5325.05 N. Mediante el software de elementos

finitos se aplicó dicha carga en un área equivalente a la del diente de la corona (220.488 mm2) en el sinfín, al igual que se aplicó el torque especificado en la ec. 16 (Ts= 12.4132 Nm) sobre el sinfín.

La figura 22 y la tabla 8 ilustra las cargas y los esfuerzos asociados, los resultados

fueron los siguientes:

Figura 22. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la carga total en el conjunto sinfín corona. Fuente autor

Resultados ANSYS workbench para el sinfín

Nombre Objeto Fuerza Momento Soporte

fijo 1

Soporte

fijo 2

Soporte

fijo 3

Estado Totalmente Definido

Alcance

Método de determinación del alcance

Selección de Geometría

Geometría 1 Cara

Definición

Tipo Fuerza Momento Soporte fijo

Definido por Vector

Magnitud 5325,3

N 12413 N·mm

51

Dirección Definida

Nombre Objeto Vida útil daño Factor de seguridad

Alcance

Diseñado a Vida útil 1,e+009 ciclos

Resultados

Mínimo 1,e+006 ciclos 1,7795

Máximo 1000, Tabla 8. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria, deformación total y análisis de fatiga para el sinfín sometido a carga de operación. Fuente Autor

Con un esfuerzo máximo de 48.441 Mpa inferior al límite elástico de cualquier acero, un desplazamiento máximo de 0.0167 mm, al igual que la corona esta pieza

debe ser diseñada a operación vitalicia, como resultado de la simulación de fatiga se tiene un factor de seguridad de 1.7795 para un acero de bajo carbono, se puede asegurar que esta pieza no sufrirá daños debidos a los esfuerzos inherentes a su

operación. Sin embargo para evitar desgastes prematuros las superficies del sinfín y la corona deben ser pulidas, al igual que la corona el sin fin será fabricado en SAE

8620, algún acero con prestaciones similares, sin embargo a esta pieza no se le dará tratamiento de cementado, esto con el fin de que su superficie se desgaste pero no la de la corona, considerando que la fabricación el sinfín es mucho más

sencilla.

6.2.2.4. Análisis de cargas en el eje de la corona

Este eje es uno de los elementos que tiene una función vital en el mecanismo y está sometido a la carga radial de la corona. En la figura 23 y la tabla 9 se muestran la fuerza a la que está sometido el mecanismo y las caras de soporte en donde irán

ajustados los rodamientos, la carga en la cara C corresponde a la carga total que se ejerce sobre la corona obtenida de la ec. 20. Se realizó adicionalmente un

análisis de fatiga para asegurar que los elementos superaran el millón de ciclos y prestara operación vitalicia.

Nombre Objeto Deformación

total

Deformación Elástica

Equivalente

Esfuerzo Equivalente

Resultados

Mínimo 0, mm 1,1777e-006

mm/mm 0,16774 MPa

Máximo 1,675e-002 mm 2,8182e-004

mm/mm 48,441 MPa

52

Figura 23. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la carga total en el conjunto sinfín

corona. Fuente autor. Resultados ANSYS Workbench Para el Eje de la Corona

Nombre Objeto Soporte fijo 1 Soporte fijo 2 Fuerza 1

Estado Totalmente Definido

Alcance

Método de determinación del alcance

Selección de geometría

Geometría 1 cara

Definición

Tipo Soporte fijo Fuerza

Definido por Vector

Magnitud 5325,1 N

Dirección Definida

Nombre Objeto

Deformación Total

Deformación Elástica Equivalente

Esfuerzo Equivalente

53

Tabla 9. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria, deformación total y análisis de fatiga para el eje de la corona sometido a carga máxima de operación. Fuente Autor.

Teniendo un esfuerzo máximo hallado de 238.19 Mpa se debe considerar el utilizar un acero aleado de alta resistencia, una solución posible es el acero SAE 4140, en la tabla 10 se especifica la composición de este20; según datos de la Compañía

General de Aceros, con este acero se tiene una resistencia a fluencia de 589 Mpa, se aconseja un tratamiento térmico de temple y revenido para prevenir fallas por

tenciones internas en el material. Con este dato se calculó un factor de seguridad Fs de:

𝐹𝑠 =589𝑀𝑝𝑎

238.19 𝑀𝑝𝑎= 2.4728

COMPOSICIÓN

QUÍMICA

C % Mn

%

Si máx.

%

P máx.

%

Cr % Mo % S %

max Análisis típico en % 0.38-

0.43

0.75-

0.85

0.2-0.35 0.035 0.80-

1.1

0.15-

0.25

0.04

Tabla 10. Composición química del acero SAE 4140. Catalogo Compañía General de Aceros.

6.2.2.5. Análisis de cargas sobre los rodillos y ejes de doblez.

Como ya se había mencionado antes el diámetro de doblez mínimo en esta

máquina será de 8.8 mm, de manera que se alternaran ejes con diámetros entre los 8.8mm hasta los 25.4 mm, para dobleces de diámetros mayores a los 25.4 mm se instalaran rodillos de diversos diámetros desde los 35 mm hasta 76.2mm, el

rodillo más pequeño de diámetro de 35 mm es el que será analizado con una carga máxima de 239000 N necearía para deformar las probetas de acero inoxidable de

8.8 mm de espesor con un ancho de 1.5 pulgadas. Necesariamente solo se podrán ensayar espesores de probeta menores a 8 mm para diámetros iguales o menores a los 25.4 mm, esto debido a la resistencia de los ejes.

En la tabla 11 se muestra un listado de los diámetros de doblez posibles

intercambiando los ejes y rodillos de doblez, desde los 35mm se aumentara el diámetro de los rodillos 5 mm hasta llegar a los 76.2 mm.

20 Catalogo acero SAE 4140-Compañía General de Aceros (en línea) citado el 9/02/2015 disponible en: http://www.cga.com.co/

Resultados

Mínimo 0, mm 1,78e-008 mm/mm 2,3877e-003 MPa

Máximo 0,22893 mm 1,1983e-003 mm/mm 238,19 MPa

54

Diámetro Elemento a usar

8.8 mm Eje 8.8 mm

10 mm Eje 10 mm

12.7 mm (1/2”) Eje de ½”

15.875 mm (5/8”) Eje de 5/8”

19.05 mm (3/4”) Eje de ¾”

22.23 mm (7/8”) Eje de 7/8”

25.4 mm (1”) Eje de 1”

35 mm Eje de 1” con rodillo de 35mm

40 mm Eje de 1” con rodillo de 40mm

45 mm Eje de 1” con rodillo de 45mm

…… ……

76.2 mm Eje de 1” con rodillo de 76.2mm

Tabla 11. Alternación de elementos para el cambio de los diámetros de doblez en la máquina. Fuente autor.

En la figura 24 se muestra el rodillo de 35 mm sometido a una carga de 239.000 N, en la tabla 12 los resultados de la prueba.

Figura 24. Esfuerzo hallado mediante el software ANSYS según la carga sobre el rodillo de doblez

más pequeño. Fuente autor.

55

Resultados ANSYS workbench para el rodillo de doblez

Tabla 12. Resultados de Esfuerzos equivalentes, deformación unitaria y deformación total para el

rodillo de doblez más pequeño sometido a carga máxima de operación. Fuente Autor

Para un esfuerzo máximo de 355.75 Mpa se requiere un acero aleado,

tentativamente el SAE 4140 o el SAE 4340, además de esto para que la probeta no marque o desgaste la superficie del rodillo es necesario un tratamiento térmico de temple y revenido. Se utilizara el acero 4140 con tratamiento de templado y

revenido con una dureza final de 57 HRC que según datos de catálogos de la Compañía General de Aceros21 alcanza un límite de fluencia promedio de 590 Mpa,

con lo que se tiene un factor de seguridad Fs = 1.66.

6.2.2.6. Análisis de cargas sobre dispositivo de sujeción

El dispositivo de sujeción consta principalmente de un par de placas que presionan

mediante unos tornillos la probeta a ensayar. En la figura 25 se muestra la fuerza que ejerce el rodillo de presión sobre la probeta, la fuerza que tienen que generar

las mordazas de sujeción Fa y la fuerza Fb que causa el mecanismo de giro sobre la probeta debida a la fricción entre el acero del rodillo de doblez y la probeta.

21 Catalogo acero SAE 4140-Compañía General de Aceros (en línea) citado el 15/02/2015 disponible en: http://www.cga.com.co/

Nombre Objeto Soporte Fijo 1 Fuerza

Estado Totalmente Definido

Alcance

Método de determinación del alcance

Selección de Geometría

geometría 1 Cara

Definición

Tipo Soporte Fijo Fuerza

Suprimido No

Definido por Vector

Magnitud 2,39e+005 N

Dirección Definida

Nombre Objeto Deformación

Total

Deformación

Elástica Equivalente

Esfuerzo Equivalente

Resultados

Mínimo 0, mm 9,8099e-005

mm/mm 18,909 MPa

Máximo 6,2035e-003

mm 1,8771e-003

mm/mm 355,75 MPa

56

Figura 25. Fuerza generada sobre placas de sujeción. Fuente Autor

Según la ec. 12 el torque de la corona Tc = 715 Nm, tomando el rodillo de doblez más pequeño con un diámetro de 35 mm y el coeficiente de fricción “µ” típico entre acero y acero podemos obtener la fuerza Fb por medio de la siguiente formula:

𝐹𝑏 =𝑇𝑐

𝑟𝜇 ec. 28

En la tabla 13 podemos observar coeficientes de fricción típicos entre diversos

materiales22:

Materiales Coef. fricción estático Coef. Fricción dinámico

Acero - Acero 0.74 0.57

Aluminio - Acero 0.61 0.47

Cobre - Acero 0.53 0.36

Latón - Acero 0.51 0.44

Cinc - Hierro colado 0.85 0.21

Caucho - Concreto 1.0 0.8

Madera - Madera 0.25-0.5 0.2

Vidrio - Vidrio 0.94 0.4

Cobre - Vidrio 0.68 0.53

Hielo - Hielo 0.1 0.03

Teflón - Teflón 0.04 0.04

Teflón - Acero 0.04 0.04 Tabla 13. Coeficientes de fricción de materiales comunes. Serway. Physics for Scientists and Engineers 8th

22 Raymond A. Serway (2008) Physics for Scientists and Engineers 8TH ed. E.U.A

57

Como resultado de la ec. 28 tenemos:

𝐹𝑏 =715𝑁. 𝑚

0.0381𝑚0.74 = 13887,1𝑁

Para evitar el desplazamiento de la probeta debida a Fb las mordazas que la presionan deben superar la fuerza Fb, se debe tomar también en consideración el

coeficiente de fricción entre la probeta y las placas:

𝐹𝑎 ∗ µ > 13887,1𝑁

𝐹𝑎 >13889,1𝑁

µ=

13887,1𝑁

0.74 𝑒𝑐.29

𝐹𝑎 > 18766,4N

Como conclusión los tornillos de las mordazas deben aplicar una presión de

18760,4 N. La figura 26 muestra las Mordazas junto con la estructura y su reacción al aplicar las fuerzas, Fa y Fb. Las fuerzas en las caras H y I corresponden a Fa.

La fuerza en la cara G corresponde a Fb. En la tabla 14 se pueden apreciar los esfuerzos máximos, deformaciones unitarias y totales sobre la estructura y la placas de sujeción.

58

Figura 26. Esfuerzos hallados sobre la estructura del dispositivo de sujeción. Fuente Autor

Resultados ANSYS workbench para el dispositivo de sujeción (prensa)

Nombre Objeto 6 Soportes fijos Fuerza

Estado Totalmente Definido

Alcance

Método de determinación

del alcance Selección de Geometría

geometría 1 Cara

Definición

Tipo Soporte fijo Fuerza

Definido por Vector

Magnitud 13887 N

Dirección Definida

Tabla 14. Esfuerzos máximos, deformación unitaria y total hallada en el dispositivo de sujeción según cargas de operación. Fuente Autor.

Con un esfuerzo resultante de 72.7 y un factor de seguridad de 2.84 La totalidad de las piezas que conforman la estructura se pueden fabricar en acero estructural

ASTM A36 o en aceros de similares prestaciones, a excepción de los tornillos de presión de las mordazas que se fabricaran en SAE 8620, esto porque es un material dispuesto especialmente para ejes, engranes y tornillería, debido a que es menos

susceptible a propagación de grietas en el material.

Tipo Deformación Total Deformación Elástica

Equivalente Esfuerzo Equivalente

Resultados

Mínimo 0, mm 5,0501e-016 mm/mm 7,6508e-011 MPa

Máximo 0,14438 mm 5,3151e-004 mm/mm 72,711 MPa

59

6.2.2.7. Análisis de cargas sobre la chumacera base del mecanismo

Las cargas sufridas por la chumacera base del mecanismo se deben exclusivamente a efectos del eje de la corona y a los rodamientos acoplados a este,

la figura 27 muestra la configuración de estas piezas junto con la fuerza calculada anteriormente sobre el eje de la corona. Recordado la ec. 20, la carga total sobre

la corona es de 5325,05 N, en el caso en el que el mecanismo se detenga totalmente doblando una probeta, el eje sufrirá la totalidad de esta carga, de manera que se simulara en el software ANSYS el efecto de esta fuerza sobre la chumacera

base principalmente. La figura 27 muestra a los agujeros de la chumacera como las superficies fijas del mecanismo, en la cara “A” del eje es cargada la fuerza total que

soporta la corona. La tabla 15 muestra los resultados de deformación unitaria, deformación total, esfuerzo equivalente máximo y factor de seguridad.

Figura 27. Esfuerzos hallados sobre chumacera base según las cargas de operación. Fuente Autor

Resultados ANSYS workbench para la chumacera base

Nombre Objeto Fuerza Soport

e fijo 1

Soporte

fijo 2

Soporte

fijo 3

Soporte

fijo 4

Estado Totalmente definido

Alcance

Método de determinación del alcance

Selección de geometría

geometría 1 Cara 1 Cuerpo

Definition

60

Tipo Fuerza Soporte fijo

Definido por Component

es

Sistema de coordenadas Global

Componente X 5326, N

Y Componente Y 0, N

Z Componente Z 0, N

Tabla 15. Resultados de aplicación de carga en el eje de la corona y sus efectos en la chumacera base. Fuente Autor.

Con un esfuerzo máximo de 70.81 Mpa sobre los agujeros de la chumacera es

aconsejable el uso de un acero de baja aleación, el acero ASTM A36 es una opción viable o algún acero con prestaciones similares como el acero SAE 1020, un factor de seguridad de 3.5 indica un sobredimensionamiento de esta pieza, pero sin

embargo no se puede reducir el tamaño de esta, puesto que alberga dos rodamientos con dimensiones ya establecidas que son los más comunes para el diámetro del eje de la corona, los dos rodamientos a utilizar serán los ISO 6307 2Z

capaces de soportar una carga dinámica máxima de 3620 N cada uno.

Nombre Objeto Deformación

Total

Deformación

Elástica Equivalente

Esfuerzo Equivalente

Results

Minimum 0, mm 1,3747e-009

mm/mm 1,1939e-004

MPa

Maximum 7,0286e-002

mm 3,5801e-004

mm/mm 70,81 MPa

Safety Factor 3,5306

61

7. FASE DE FABRICACIÓN

Luego de corroborar el ensamble en el software, haciendo los cálculos pertinentes para cada conjunto de piezas y observando el desplazamiento de las piezas

durante su funcionamiento, se llegó a la conclusión de que el diseño es viable para su construcción.

La gran mayoría de las piezas se fabricaron en Aplimec LTDA, proveedor de servicios de mecanizado de Soldaduras West Arco; el conjunto de corona y Sinfín

fue fabricado por Cosme Quintana (persona natural proveedor de Soldaduras West Arco), el tablero eléctrico fue elaborado por Cerrelectricos SAS cumpliendo con la

condición de operación por medio de dos botones, dos finales de carrera y una parada de emergencia. Finalmente el motoreductor eléctrico con las condiciones ya mencionadas se compró en Transmisiones Industriales SAS.

Las figuras 28, 29, 30, 31, y 32 muestran algunas de las piezas en proceso de

mecanizado junto con su respectivo plano, la totalidad de los planos se pueden encontrar en el anexo A.

Figura 28. Pieza # 15, parte del mecanismo de presión de la máquina. Fuente autor

62

Figura 29. Pieza # 17, parte del mecanismo de presión de la máquina. Fuente autor

Figura 30. Pieza # 4, soportes de los rodamientos del sinfín. Fuente autor

63

Figura 31. Pieza # 20, Tornillos de presión de las mordazas. Fuente autor

Figura 32. Pieza # 27, tapas de los soportes de los rodamientos del sinfín. Fuente Autor

El proceso de construcción demoro alrededor de 328 horas. La figura 37 muestra la maquina terminada; en el anexo B en formato digital se encuentra un video de su

funcionamiento y resultado con diversas probetas, mientras que el Anexo C corresponde a la ficha técnica de la máquina.

64

8. FASE DE INSTALACIÓN Y PRUEBAS

El ensamble se realizó en Aplimec Ltda. en donde la mayoría de las piezas se ensamblaron sin inconvenientes, salvo algunos ajustes que debieron corregirse.

Las figuras 33, 34, 35 y 36 corresponden al ensamble de tornillo sinfín, prensa, rodillos de doblez y presión, y tablero eléctrico respectivamente.

Figura 33. Ensamble tornillo sinfín. Fuente autor.

Figura 34. Ensamble prensa. Fuente autor.

65

Figura 35. Ensamble rodillos de doblez y presión. Fuente autor.

Figura 36. Ensamble del tablero eléctrico. Fuente Autor.

La máquina se ensamblo inicialmente sin dar tratamiento térmico a ninguna de las piezas y se probó con una probeta de baja resistencia (en aluminio) confirmando el

funcionamiento correcto de la máquina, luego de esto se procedió a dar tratamiento

66

a las piezas que lo requerían y rearmar la máquina. La figura 37 muestra la maquina

armada antes del tratamiento térmico de las piezas.

Figura 37. Ensamble total de la máquina, piezas sin tratar. Fuente Autor.

67

9. FASE ELABORACIÓN DE PRODUCTOS FINALES

Posterior al tratamiento térmico se procedió a rearmar la máquina, y se iniciaron pruebas con probetas de diversos espesores, las figuras 38 y 39 muestran el primer

material ensayado, se observa en la figura un doblez inferior a los 180°, esto debido a que se están graduando los sensores de inicio y de fin, que son los que dictan el final del recorrido del doblez, hay anotar además que en todas las probetas después

de finalizado el recorrido, hubo un retorno en el ángulo de doblez, de manera que es necesario hacer que el recorrido de la maquina sea mayor a los 180 grados.

Todas las probetas en general retornaran en su doblez cierto porcentaje, esto depende de su elasticidad, a mayor elasticidad, mayor retorno habrá, de manera que es necesario que el que opere la maquina persista en el doblez de la misma

probeta hasta que esta finalice en 180°.

Figura 38. Primer material a ensayar. Fuente Autor

Figura 39. Primer material ensayado. Fuente Autor

La máquina en su tablero eléctrico posee un botón de avance, uno de retorno y una

parada de emergencia, de manera que la manipulación de ésta después de fijar la probeta mediante la prensa es muy sencilla, en el anexo C (Ficha Técnica) se

especifican estos aspectos de manejo, cuidado y mantenimiento. La figura 40 muestra tres probetas por norma AWS D1.1 después de finalizado el

proceso de doblez, el material es ASTM A36 con una resistencia a fluencia de 208 Mpa, el espesor del material es de 12.2 mm.

68

Figura 40. Probetas por norma AWS D1.1 en acero A36 después de prueba, espesor de 12.2 mm. Fuente autor.

69

10. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN

La financiación del proyecto Máquina de Doblez Guiado tipo Wrap Around para la

compañía Soldaduras West Arco S.A.S. obedeció al siguiente proceso:

i) La proposición a la compañía de desarrollar la máquina universal de

ensayos se elevó al área financiera por parte del Ing. Luis Eduardo

Garavito el día primero de noviembre de 2014.

ii) Por parte de la Srta. Maria Fernanda Carvajal (Junior Financial Analyst)

se presentó el presupuesto al Sr. Flavio Santos (Gerente General de la

compañía).

iii) El Sr. Flavio Santos dio el aval para incluir en el presupuesto (CAPEX)

estimado del año 2015.

iv) De acuerdo a las políticas internas de la compañía, el CAPEX fue avalado

a partir del mes de febrero de 2015; se hicieron requerimientos técnicos

y de diseño para poder dar vía libre a la inversión.

v) El aval de construcción se dio por parte del tutor del proyecto el día 12

de mayo: este aval era requisito previo para poder gestionar la

documentación pendiente a autorizar el desembolso del dinero.

vi) Con el aval dado se inició la gestión documental interna en Soldaduras

West Arco S.A.S. para empezar desembolsos y construcción, lo cual

incluía la generación de una orden de inversión y la cotización de los

trabajos a adelantar.

Los costos totales asociados a la documentación, diseño y fabricación de la

maquina se encuentran en las tablas 16, 17 y 18. Sumando los valores totales

obtenidos la maquina tiene un costo final de $20.236.880 pesos, la mayor parte de

este costo fue debido a el tiempo dedicado en la documentación y el diseño por

parte de los autores y el tutor del proyecto.

70

Material De Documentación

Detalle cantidad Valor Unitario Valor Total

Fotocopias de libros y demás documentación

68 hojas 100 6.800

Impresión de Planos 45 hojas 200 9.000

Impresión de documento 95 hojas 200 19.000

Transportes 36 1800 64.800

Licencia Autocad 1 1.000.000 1.000.000

Licencia Ansys 1 1.500.000 1.500.000

Internet 820

horas

500 410.000

Total 3.009.600 Tabla 16. Costos de material de documentación. Fuente Autor.

Recurso Humano

Detalle Cantidad de personas

Horas dedicadas

Valor de la hora

Costo total

Autores 2 940 10.000 9.400.000

Tutor del proyecto 1 80 35.000 2.800.000

Total 12.200.000 Tabla 17. Costos asociados al recurso humano. Fuente Autor.

Costos De Fabricación

Detalle Proveedor Horas Dedicadas

Cantidad Costo total

Fabricación de sinfín-corona

Cosme Quintana (persona natural)

60 2 900.000

Fabricación de piezas de la máquina

Aplimec LTDA 240 31 2.320.000

Reductor 2hp relación

20/1

Representaciones

industriales SAS

N/A 1 1.044.000

Tablero Eléctrico Cerrelectricos LTDA

20 1 600.880

Material para base de

la máquina

Oxicortes y Aceros

del Carvajal

8 8 162.400

Total 5.027.280 Tabla 18. Costos de fabricación. Fuente Autor.

71

11. CONCLUSIONES

11.1. La máquina de doblez guiado tipo Wrap Around desarrollada representa un

avance toda vez que aumenta el alcance y reduce el costo que actualmente

implica la ejecución de un ensayo de doblez guiado.

11.2. El aumento del alcance se ve beneficiado toda vez que permite la rápida

adaptación a ensayos con condiciones especiales tales como uniones

soldadas disímiles, materiales con porcentaje de elongación menor al veinte

por ciento (20%) o con puntos de fluencia bajos (y las consideraciones

especiales que sobre los mismos tienen los códigos de soldadura

aplicables).

11.3. La realización de ensayos sin depender de otros mecanismos (tal como la

máquina universal de ensayos que actualmente es adaptada), la reducción

en los accesorios necesarios para adaptar al ensayo y el menor costo en

mecanizado de piezas y accesorios hacen que la máquina de doblez guiado

tipo Wrap Around desarrollada signifique una sensible reducción de costo

por ensayo frente a los dispositivos actuales en uso (matriz de doblez con

apoyo en dos puntos).

11.4. La eficiencia y calidad en el ensayo es comparable y similar a la obtenida

por los métodos actuales (matriz de doblez con apoyo en dos puntos).

11.5. La máquina de doblez guiado desarrollada presenta una sensible reducción

en los costos de fabricación respecto de otras opciones disponibles nacional

e internacionalmente toda vez que se optó por mecanismos y

accionamientos de costo reducido, de relativa sencillez y bajo

mantenimiento, con requerimientos operativos mínimos y con formación al

personal de operación de baja complejidad.

11.6. En comparación directa con la opción especializada, disponible y similar

comercialmente para la ejecución de estos ensayos usando un principio

operativo equivalente, la máquina de doblez guiado generada por los autores

cuesta al menos una tercera parte de la inversión que debiese realizarse

para la máquina ya disponible en el mercado internacional. Esto aunado al

hecho de que el mercado nacional e internacional es reducido y que las

aplicaciones del ensayo son especializadas, hacen de la máquina

desarrollada la mejor opción para ser implementada con una inversión inicial

72

baja obteniendo una efectividad buena en la ejecución de ensayos de doblez

guiado.

11.7. El desgaste de los insumos y del mecanismo en sí pueden convertirse

inicialmente en una desventaja frente a otros mecanismos destinados para

el mismo fin (especialmente manuales) y también comparada contra el

doblez realizado en matriz de dos puntos de apoyo, por lo cual es necesario

desarrollar un acucioso plan de seguimiento al comportamiento de la

máquina durante el tiempo que sigue a su completa implementación y

entrada en operación; esto permitirá generar el plan de mantenimiento más

adecuado a la máquina lo cual garantizará la extensión de la vida útil de la

misma y la reducción en gastos por reparación o refacciones.

11.8. Criterio importante de diseño a considerar en el tipo de máquina desarrollado

está relacionado directamente con la geometría (especialmente la longitud y

el espesor) de las muestras a ser ensayadas. Prueba de ello es el cambio

que debió generarse en el diseño de las mordazas de sujeción de probeta.

11.9. Las mordazas de sujeción deben garantizar varios factores. El primero de

ellos, y quizá el más importante, es que la muestra pueda ser sujetada lo

más cerca posible del eje (rodillo) de conformado sin verse afectada esta

condición por el diámetro del eje de conformado; el segundo hace referencia

a que las mordazas deben garantizar en la mayor medida posible la

alineación en tangencia con el eje de conformado de manera que la muestra

a ensayar también cumpla esta condición al momento de ensayo; por último,

es importante garantizar que la muestra se encuentra firmemente anclada al

mecanismo de sujeción de manera que no sea posible su deslizamiento o

movimiento anormal durante la ejecución del ensayo.

11.10. El mecanismo de sujeción de las muestras, como puede verse en el numeral

anterior, tiene tanta o mayor importancia a la dada al mecanismo de

accionamiento para realizar el ensayo.

11.11. Para una correcta realización del ensayo de doblez es importante seguir las

recomendaciones de montaje y ejecución dadas por los autores en la ficha

técnica (de operación) y por los códigos de soldadura aplicables al ensayo

en la disposición Wrap Around (ver Sección IX del código ASME, numeral

QW-466.3 para referencia).

11.12. La máquina de ensayos de doblez tipo Wrap Around representa un avance

significativo en el alcance de ensayos de doblez guiado del Laboratorio de

Ensayos Mecánicos de Soldaduras West Arco S.A.S., ya que permite

73

realizar ensayos a materiales disímiles a un menor costo y con un margen

de error menor al que permite realizar el doblez guiado en una máquina con

matriz de doblez.

11.13. Los ensayos de prueba ejecutados en la máquina de doblez guiado tipo

Wrap Around resultaron ser satisfactorios para los requerimientos mínimos

de diseño de la máquina.

11.14. Es posible continuar en el proceso de mejorar y ampliar el campo de acción,

a un costo reducido, de la máquina con base en requerimientos adicionales

no considerados dentro del presente desarrollo. Por ejemplo, es posible

adaptar la máquina de una manera sencilla a los ensayos de doblez guiado

requeridos por el código de soldadura AASHTO/AWS D1.5M/D1.5:2010

donde se evidencia una mayor longitud de probeta de doblez.

74

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AWS B4.0 (2007) STANDARD METHODS FOR MECHANICAL TESTING OF

WELDS

75

ASME IX Boiler & Pressure Vessel Code (2010) .QUALIFICATION STANDARD

FOR WELDING AND BRAZING PROCEDURES, WELDERS, BRAZERS, AND

WELDING AND BRAZING OPERATORS

76

ANEXOS (DVD)

PLANOS MÁQUINA DE DOBLEZ GUIADO TIPO WRAP – AROUND

VIDEO DEL FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA

FICHA TÉCNICA, DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO