diseño y tecnología de fabricación de los accesorios para

accesorios para el doblado de perfiles en una
dobladora electro-hidráulica
Autor: Vladimir Artiles Pérez.
HOLGUÍN 2018
DISEÑO Y TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE LOS ACCESORIOS PARA EL DOBLADO DE PERFILES
DEDICATORIA
A todas aquellas personas que me tuvieron como prioridad, brindándome apoyo
en todo momento, especialmente:
A Dios, que nunca me ha desamparado;
A mis padres Lisset y Vladimir, por ser ellos mi mayor ejemplo;
A mí amada y adorada esposa Lidysvet, por estar siempre y creer en mí gracias,
mi amor.
A mis tíos y tías Yolanda, Esperanza, Carlitos, Yulianis;
A mis primas María del Carmen, Marian Carla y Aurora, y a toda mi familia en
general;
A mis padres de Holguín, Luisa e Isaac, que me acogieron en su casa y me
brindaron su hospitalidad y amor incondicionalmente.
A mis hermanos Yorlenis, Yosvanis y Leidyedis, por su gran ayuda.
AGRADECIMIENTOS
A mi tutor ing. Eric Leal Álvarez, por su atención y dedicación sin límite de
horario.
A la directiva de EMPRESTUR Santiago de Cuba.
A Aráis Cordovés Rojas, por haberme apoyado incondicionalmente.
A todas las personas que dedicaron parte de su valioso tiempo para que este
trabajo fluyera perfectamente.
A la Revolución cubana, por darme la dicha de hacerme un profesional.
A TODOS MUCHAS GRACIAS.
RESUMEN
En este trabajo se realiza el diseño de los accesorios para el doblado de perfiles
en una máquina electro-hidráulica. Se muestran además, los planos y cartas de
operaciones para la confección de los accesorios diseñados. Contiene también los
cálculos realizados mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) a todos los
elementos que están sometido a grandes cargas, para esto nos ayudamos del
programa computacional SolidWorks. Adicionalmente, se realizó la selección del
material para la construcción de los dados que formarán parte de la máquina, que
serán utilizados para el doblado de perfiles cuadrados.
ABSTRACT
In this work carries outs the design of the accessories to the bend of profiles in a
electro-hydraulics machine. Also shown, the drawings and the charts operations for
a elaboration of the designed accessories. The work contains the carried out
calculous by the Method of Finite Elements (MEF) to the elements that it are
subdued to big loads, for this helped us of the computing program SolidWorks.
Additionally, the selection of the material for the construction of the die and dices
that will be part of the machine was made, and which will be used tor the bend of
square profiles.
INDICE
1.2 Fundamentos del doblado de metales ----------------------------------------------------- 4
1.2.1 Doblado de perfiles ------------------------------------------------------------------------- 5
1.2.2 Técnicas de doblado de perfiles -------------------------------------------------------- 7
1.2.2.1 Doblado por estiramiento -------------------------------------------------------------- 7
1.2.2.2 Doblado por compresión --------------------------------------------------------------- 8
1.2.2.3 Doblado por jalado y rotatorio -------------------------------------------------------- 8
1.2.2.4 Doblado en prensa o por flexión pura ---------------------------------------------- 9
1.2.2.5 Otras consideraciones para el doblado de perfiles cuadrados y
rectangulares………………………………………………………………….13
1.3 Máquinas y accesorios empleados para el proceso de doblado de
tubos…………………………………………………………………………….......14
1.4 Materiales utilizados para la fabricación de accesorios y herramientas de
conformar…………………………………………………………………………….18
1.4.2 Aceros de baja templabilidad…………………………………………………21
CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LOS ACCESORIOS DE LA MÁQUINA HIDRÁULICA
PARA OPERACIONES DE DOBLADO EN PERFILES ---------------------------------- 22
2.1 Descripción general de la máquina ------------------------------------------------------- 22
2.2 Diseño de los accesorios de la dobladora ----------------------------------------------- 23
2.2.1 Diseño y análisis mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) de los
dados para el doblado -------------------------------------------------------------------------- 25
2.2.2 Diseño y análisis mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) de la
matriz y diseño del dado fijador -------------------------------------------------------------- 29
2.2.3 Materiales seleccionados para la construcción de las herramientas ------- 33
INDICE
LOS ACCESORIOS PARA EL DOBLADO DE PERFILES EN UNA DOBLADORA
ELECTRO-HIDRÁULICA ------------------------------------------------------------------------- 34
3.1. Análisis económico --------------------------------------------------------------------------- 63
3.2 Análisis medio ambiental sobre la propuesta tecnológica de construcción de
las herramientas ---------------------------------------------------------------------------------
CONCLUSIONES ----------------------------------------------------------------------------------- 65
RECOMENDACIONES ---------------------------------------------------------------------------- 66
BIBLIOGRAFÍA -------------------------------------------------------------------------------------- 67
ANEXOS ---------------------------------------------------------------------------------------------- 68
1
INTRODUCCIÓN
Cuba es un país que, a pesar de sufrir más de cincuenta años de bloqueo por
parte del gobierno de E.E.U.U, ha sabido resistir e ingeniárselas para poder salir
adelante en distintas esferas productivas. El país está inmerso en un proceso
continuo para desarrollar la industria, sobre todo haciendo transferencias
tecnológicas para mejorar las condiciones en nuestras fábricas. Este cambio
permite incrementar la eficacia en los procesos productivos, y la competitividad de
los productos y los servicios.
La industria de la metalmecánica está en continuo desarrollo a nivel mundial. Día a
día se van creando y mejorando las máquinas, así como las herramientas que se
utilizan en una gran variedad de procesos de manufactura. (Arias Duque Andrés,
2009) Dentro de la esfera de esta industria podemos decir que la conformación de
metales es uno de los procesos de mayor importancia y, en especial, el doblado
de perfiles, ya sean de forma circular, cuadrada o rectangular. Los procesos de
conformado por deformación se dividen, tradicionalmente, en procesos de
deformación volumétrica (bulk forming) en caliente y procesos de deformación no
volumétrica (sbeet forming o sbeet metal forming) en frío.
Pertenecen a la primera clasificación los procesos de deformación en los que el
metal de partida es un lingote, una barra o un bloque (como por ejemplo en la
extrusión, el forjado, el laminado y el trefilado). En ellos se aumenta
considerablemente la relación superficie-volumen de las piezas conformadas bajo
la acción de una carga de compresión muy grande. Mientras que pertenecen al
segundo grupo los procesos de formación de chapa metálica, es decir, cuando se
aplica una fuerza en la cual el metal rebasa el límite de fluencia, llegando a la
deformación plástica sobre una pieza mediante cargas de tracción o flexión.
Puede así transformarse la chapa en una forma tridimensional a menudo sin
cambios significativos en el espesor de esta o en sus características de superficie.
(Rivero Ortiz, A. T., 2009).
Para el doblado de perfiles, se emplean máquinas mecánicas, hidráulicas o
neumáticas. Estas se nombran curvadoras o dobladoras de tubos, y pueden
presentar diseños con diversos grados de complejidad. Estos equipos permiten,
2
con gran facilidad, doblar tubos de dimensiones considerables, lo cual ha hecho,
de las dobladoras, herramientas de gran importancia en la industria
metalmecánica.
En la empresa EMPRESTUR de Santiago de Cuba existe una dobladora hidráulica
capaz de doblar tubos de 50mm de diámetro, con solo un juego de herramientas
para esta dimensión (dos dados y una matriz), lo cual exige el desarrollo de
habilidades manuales en los trabajadores. Sin embargo, esta no cuenta con
accesorios para doblar tubos de menores dimensiones a 50mm, ni perfiles
cuadrados o rectangulares. El no poder realizar estas operaciones trae como
consecuencia que disminuya la versatilidad de la máquina, lo que puede resumirse
en la incapacidad de esta para ser utilizada en procesos de doblado con
dimensiones inferiores.
A partir de la situación anteriormente expuesta, el problema de esta investigación
es la imposibilidad de realizar el doblado de perfiles cuadrados o rectangulares en
la máquina construida para el doblado de tuberías.
El objeto de esta investigación es la máquina dobladora.
El campo de la investigación los dispositivos para doblar perfiles cuadrados
El objetivo es diseñar los dispositivos para el doblado de perfiles cuadrados o
rectangulares en la máquina dobladora.
Para brindar solución al problema planteado se define como hipótesis, si se
realiza el diseño de los dispositivos para el doblado de perfiles en la máquina
dobladora de tubos y se propone la tecnología de fabricación de las herramientas,
entonces se podrá construir el herramental necesario para el doblado de perfiles
cuadrados y rectangulares, lo que contribuirá a diversificar las operaciones de
doblado en la dobladora hidráulica.
Para poder cumplimentar el objetivo trazado en la investigación, se proponen las
siguientes tareas:
- Analizar desde el punto de vista histórico, teórico y contextual el objeto de la
investigación.
3
- Realizar la revisión bibliográfica sobre las dobladoras, técnicas empleadas para
el proceso de doblado y características de diseño de los accesorios de la
dobladora hidráulica.
- Diseñar los herramentales necesarios para el doblado de perfiles cuadrados y
rectangulares (matrices y dados), comprobando el diseño de estos elementos
mediante el MEF.
- Elaborar los planos de pieza de los elementos para la dobladora.
- Proponer la tecnología de fabricación de las herramientas diseñadas.
Dentro de los métodos de investigación empleados en este trabajo se encuentran:
Métodos teóricos:
Análisis y síntesis: en el procesamiento de la información para conformar el marco
teórico de la investigación.
Histórico y lógico: en la pesquisa sobre los principales avances obtenidos en el
campo de la utilización de las dobladoras y sus accesorios.
Métodos empíricos:
Matemáticos: en el procesamiento de los datos relativos a la proyección y diseño
de las piezas.
Gráficos: Para desarrollar el plano de pieza y representaciones esquemáticas del
trabajo.
4
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1 Introducción del capítulo.
En este capítulo se brindan las nociones básicas para el correcto diseño de los
accesorios para doblar perfiles cuadrados y rectangulares. Es necesario partir de
los regímenes y parámetros de trabajo de la dobladora hidráulica, ya que será la
máquina donde se realizará el proceso de doblado. Además, se darán a conocer
los fundamentos teóricos necesarios para el diseño de los accesorios.
1.2 Fundamentos del doblado de metales.
Se entiende por curvar o doblar un material, producir en este una deformación en
la que las fibras exteriores resultan estiradas, y las interiores, por el contrario, se
comprimen (ver figura 1.1). Entre ambas capas de fibras se encuentra la llamada
capa de fibras neutras, cuyas longitudes permanecen invariables con el curvado o
doblado. Las fibras neutras se hallan dispuestas, en el caso de un radio grande de
curvatura, aproximadamente hacia la mitad del espesor del material y, cuando la
curvatura es más forzada, esas fibras neutras se hallan más pronto hacia el lado
interior de la pieza. (Lloacana Bastidas, M. R., 2010). Si se realiza un doblado
hasta determinado ángulo, puede esperarse que regrese hasta un ángulo algo
menor cuando se deja de ejercer la fuerza. Por ello, antes de efectuar cada
proceso de doblado es necesario realizar un cálculo previo para conseguir el
ángulo que se desea alcanzar en la pieza diseñada.
Figura 1.1: La naturaleza de un doblez metálico. (Arias Duque Andrés, 2009).
5
Al deformar un metal en frío, a medida que aumenta el trabajo se requiere más
fuerza y la dureza del material se incrementa. Sin embargo, se debe tener especial
cuidado en no sobrepasar el esfuerzo de rotura del material porque, a partir de
este, el metal falla (ver figura 1.2).
Figura 1.2: Diagrama esfuerzo-deformación unitario.
1.2.1 Doblado de perfiles.
Los perfiles tubulares, cuadrados o rectangulares se doblan por métodos que
impiden el deformarlos o aplastarlos en la sección de la curvatura, sino que se
deforman en sentido longitudinal, empleando para ello un radio de doblado.
El radio de doblado en este perfil se define como el radio de curvatura del eje
neutral del perfil (Rc), y este hace referencia a los grados existentes entre el eje
neutral de cada uno de los extremos libres de la curva del tubo, tal y como se
muestra en la figura 1.3. (Arias Duque Andrés, 2009).
6
Figura 1.3: Términos en el doblado de un tubo. (Arias Duque Andrés, 2009).
La calidad de la curva obtenida al doblar un tubo depende en gran medida de la
relación que existe entre el diámetro exterior del tubo a doblar (De) y el radio de
curvatura obtenido (Rc) después de doblar el tubo. Esta relación se conoce como
factor de curvatura (Fc) y se correlaciona siguiendo la ecuación 1.1. (Arias Duque
Andrés, 2009).
ecc DRF (1.1)
Por medio del factor de curvatura es posible determinar el radio mínimo de
curvatura que se le puede dar al tubo, con el fin de que este no presente ningún
tipo de defecto después del proceso de doblado.
Valores de Fc recogidos entre 1 y 2, indican que el doblez es de alta dificultad. Por
lo tanto, es necesario calentar el tubo o utilizar elementos de relleno, como
mandriles, resinas, alquitrán o arena seca para evitar que se produzcan defectos
en la pieza elaborada. El valor recomendado del factor de curvatura se encuentra
en un rango entre 2,5 hasta 3,5, y en estos casos el doblez se considera simple.
(Arias Duque Andrés, 2009).
En la tabla 1.1 se muestran diferentes diámetros de tubería, con sus respectivos
espesores y radios de curvatura para un factor de curvatura de 3. Es necesario
aclarar que este radio mínimo se aplica a perfiles tubulares, cuadrados y
rectangulares. En los dos últimos casos se emplea un diámetro equivalente
determinado a partir del cálculo del perímetro exterior del perfil.
7
Tabla 1.1: Radio mínimo de curvatura para tubos de diferentes diámetros y
espesores con Fc = 3. (Arias Duque Andrés, 2009).
Diámetro
Nominal
(pulg.)
Diámetro
1 3/8 34,79 2,5 5,0 126,5
1 1/2 38,1 2,5 5,7 144,8
2 50,8 2,5 7,0 177,7
1.2.2 Técnicas de doblado de perfiles .
Existe una amplia variedad de técnicas que se emplean comúnmente para doblar
perfiles tubulares, cuadrados y rectangulares, dentro de las cuales se pueden
distinguir: el doblado por estiramiento, el doblado a tracción, el doblado por
compresión, el doblado en prensa, el doblado por dados y la extrusión por dados.
A continuación se describen cada una de las técnicas nombradas con antelación
para conocer algunas características principales.
1.2.2.1 Doblado por estiramiento.
Esta técnica consiste en fijar el tubo con mordazas contra un bloque o dado
formador que gira y estira el metal amoldándolo contra el doblez. La pieza de
trabajo que entra en el doblador recibe apoyo mediante una barra de presión que
obliga al material a que fluya en el sentido que se deforma. Este método es muy
utilizado para trabajos con tubos de pared delgada y para radios de doblados
pequeños. Este proceso se muestra en la figura 1.4.
8
Figura 1.4: Doblado por estiramiento. (Arias Duque Andrés, 2009).
1.2.2.2 Doblado por compresión.
El doblado por compresión consiste en fijar el tubo con una mordaza y se le obliga
a envolverse en torno a un dado formador fijo usando una mordaza deslizante.
Esta técnica permite hacer una serie de doblados que casi no dejan espacios
libres entre ellos (ver figura 1.5).
Figura 1.5: Doblado por compresión. (Arias Duque Andrés, 2009).
1.2.2.3 Doblado por jalado y rotatorio.
Esta es la plataforma de doblado más versátil. Este tipo de dobladora se puede
usar con mandril de soporte interno o sin este, con un dado deslizante para evitar
arrugas en la pared interna en un doblez cerrado o sin este, y con más de un
juego de dados, lo cual es especialmente práctico para doblar partes con dos o
más radios de doblez, o una longitud corta y recta de tubo entre dos dobleces (ver
figura 1.6).
9
Figura 1.6: Doblado por jalado y rotatorio
1.2.2.4 Doblado en prensa o por flexión pura.
Esta técnica crea una curva presionando, en un movimiento, un dado formador
sobre el tubo. El tubo es soportado por un par de dados separados, que rotan a
medida que el conformador se mueve hacia el centro empujando el tubo. Este
movimiento envuelve el tubo alrededor del conformador, permitiendo que los
dados de los extremos apoyen el tubo en cada lado. Este proceso es muy rápido y
es excelente para altas producciones. Sin embargo, los dados o su distribución
deben cambiarse para generar diferentes variedades de curvas. El radio de
curvatura máximo es de 110º (ver figura 1.7).
Figura 1.7: Doblado en prensa o por flexión pura. (Arias Duque Andrés, 2009).
Es el método más empleado en las dobladoras manuales, eléctricas e hidráulicas
debido a las ventajas que presenta respecto a otros procedimientos.
10
A continuación se analizan la fuerza en el doblado en relación con la sección que
se debe doblar. En la figura 1.8 se muestra la disposición de los dados al
momento de realizar la operación de doblado. Mientras mayor es la separación
entre los dados, menor es el esfuerzo que se debe aplicar. (Bustamante Aravena,
H. D. 2010).
Figura 1.8: Disposición inicial de los dados. (Bustamante Aravena, H. D. 2010).
Una vez que la matriz se desplaza (figura 1.9), se inicia un proceso de
deformación plástica del perfil a consecuencia de la fuerza ejercida por la
herramienta.
Figura 1.9: Disposición de los dados en el proceso de doblado.(Bustamante
Aravena H. D., 2010).
Este sistema se puede modelar como una viga simplemente apoyada (figura 1.10),
con una carga en el centro con las respectivas reacciones en los apoyos.
Figura 1.10: Viga simplemente apoyada. (Bustamante Aravena, H. D. 2010).
De modo que al hacer un diagrama de cuerpo libre de la viga simplemente
11
apoyada, esta se visualiza de la siguiente forma (figura 1.11).
Figura 1.11: Diagrama de cuerpo libre de la viga.(Bustamante Aravena, H. D.
2010).
Para poder determinar las reacciones de apoyo, dependientes de la fuerza F, es
necesario obtener las dos ecuaciones de equilibrio de fuerzas y una ecuación de
momento, las cuales se muestran a continuación:
0 XF XenfuerzashayNo
Despejando RBY de la ecuación de momento, tenemos que:
2/FRBY (1.2)
Despejando RAY de la ecuación de la fuerza en el eje y, tenemos que:
BYAY RFR (1.3)
Si se sustituye la ecuación 1.2 en 1.3, tenemos que:
2/FRAY (1.4)
De este modo, al obtener las reacciones de apoyo, se puede determinar el
momento en el punto central de la viga donde se aplica la fuerza de doblado. Este
es el punto en el cual se produce el momento máximo en la sección de la viga.
(Bustamante Aravena H. D., 2010).
Para el cálculo del momento, se procede a seccionar la viga a una distancia justo
antes del punto de aplicación de la fuerza (ver figura 1.12).
12
Figura 1.12: Diagrama de cuerpo libre de la viga cortada. (Bustamante Aravena, H.
D. 2010).
De este modo el momento en x=L/2 se puede expresar como:
4
Donde Mfi es el momento flector interno en [N m]
Una de las consideraciones más importantes a tener en cuenta en el instante de
calcular la fuerza en el doblado, es el esfuerzo normal por flexión, que se produce
en la viga debido al momento flector que actúa en el punto de aplicación de la
fuerza.
I
(1.6)
Donde σf es el esfuerzo de fluencia normal por flexión en [MPa], M es el momento
flector en [N m], c es la distancia del eje neutro a la fibra de estudio más alejada
[m], e I es el momento de inercia [m4].
De manera que, al despejar el momento flector de la ecuación se obtiene:
c
(1.7)
Por tanto, se llega a establecer que la fuerza que hay que aplicar debe ser tal que
pueda deformar la viga, de manera que el material supere su zona elástica hasta
pasar a la zona plástica. De este modo, el momento generado en el punto de
aplicación de la fuerza se llama momento plástico.
fp MM 2
Donde Mp es el momento plástico [N m]
Reemplazando el momento flector en la ecuación 1.8, se obtiene que:
13
c
p
2
3
(1.9)
El momento generado en la viga por la acción de la fuerza aplicada se nombra
como momento plástico porque la fuerza aplicada deforma el material y conlleva a
que pase a la zona plástica. La ecuación correspondiente queda expresada como
sigue:
4
(1.10)
De este modo, al obtener el momento plástico por medio de la fórmula del
esfuerzo normal por flexión y además por medio de la fuerza aplicada en la viga,
se igualan estas dos ecuaciones y se obtiene:
c
Lc
6
(1.12)
Donde σf es la tensión de fluencia del material (MPa) y L es la distancia entre
apoyos (mm).
La figura 1.13 representa esquemáticamente los parámetros que hay que tener en
cuenta en el proceso de doblado del perfil, ya explicado con anterioridad.
Figura 1.13 Fuerza de doblado Fd.
1.2.2.5 Otras consideraciones para el doblado de perfiles cuadrados y
rectangulares.
Para el cálculo de un perfil rectangular o cuadrado (ver figura 1.14), debemos
utilizar la ecuación (1.12) y determinar la fuerza de doblado. Además, esta fuerza
14
depende del material utilizado, así como del momento de inercia, la distancia del
eje neutro a la fibra en estudio más alejada y la distancia entre apoyos.
(Bustamante Aravena, H. D. 2010).
Figura 1.14 Perfil cuadrado de (50 × 50 × 3) mm.
Para calcular el momento de inercia en perfiles cuadrados o rectangulares
tenemos que:
(1.13)
donde: b - es la base del perfil en (m) y h- la altura en (m).
Para el cálculo de la distancia del eje neutro a la fibra en estudio más alejada,
según muestra la figura 1.13, el eje neutro se encuentra a la mitad de la altura del
perfil. De este modo, la distancia a la fibra más alejada en estudio será:
2
(1.14)
Luego los valores se deben sustituir en la ecuación 1.12 y así se obtiene el valor
de la fuerza de doblado (Fd), para este tipo de perfil.
1.3 Máquinas y accesorios empleados para el proceso de doblado de tubos.
En la actualidad se pueden encontrar varios modelos de máquinas para realizar el
proceso de doblado, y estas se pueden clasificar en manuales, electro-mecánicas,
hidráulicas y neumáticas. Esto ha permitido que el trabajo de curvado o doblado
sea más fácil, con mayor rapidez y exactitud. Los diseños de estas máquinas van
desde los más sencillos hasta algunos modernos y complejos. Aunque varíe la
15
forma de suministrar la fuerza, siguen los principios básicos de doblado explicados
con anterioridad.
A continuación se muestran las características de algunos tipos de máquinas y los
accesorios disponibles en el mercado internacional con los cuales se pueden
realizar el doblado de diferentes tipos de perfiles.
Un ejemplo de ello es la dobladora manual marca Swagelok (ver figura 1.15), con
la cual se puede doblar tubos con alta calidad y en la mayoría de los materiales,
aunque se destacan el cobre y el aluminio. La dobladora de tubo manual
Swagelok dobla tubos de diámetro exterior de (6, 8, 10 y 12) mm; o su equivalente
en la norma inglesa de (1/4, 5/16, 3/8 y 1/2) pulgadas en varios espesores de
pared. El tubo no debe tener arañazos en las superficies y debe ser adecuado
para doblar. Además incorpora un bloque que permite fijarla en un tornillo de
banco. Es de gran ayuda para doblar tubo de materiales duros o alto espesor de
pared, o para sujetar tramos largos de tubo. Con esta máquina se pueden hacer
curvas simples, con cambio de plano y otras.
Figura 1.15: Dobladora de tubo de palanca marca Swagelok.
(www.swagelok.com.mx)
Otra de las dobladoras que se comercializan actualmente en el mercado son de la
marca Virax, estas son del tipo electro-hidráulica. En la figura 1.16 se observa este
modelo junto a sus accesorios, que incluye las matrices con diferentes radios de
curvatura y los dados que presentan la particularidad de doblar dos dimensiones
de perfiles, una en cada extremo. Su principio de trabajo es mediante el método
de doblado en prensa o flexión pura, garantizando el suministro de fuerza por
medio de un pistón hidráulico.
Figura 1.16: Dobladora hidráulica eléctrica marca (Virax www.virax.com)
Este modelo de curvadora emplea como medio de fuerza un pistón de simple
efecto, y el retroceso del pistón es mediante la acción de un resorte. También
presenta un limitador de carrera para reproducir curvados idénticos. La capacidad
de curvado de esta máquina es para diámetros de 3/8’’ hasta 4’’ (Ø 9,3 hasta
101,6 mm) y el ángulo de curvado oscila de 0° hasta 90°. Como se aprecia, esta
máquina presenta gran versatilidad para trabajar en ella, permite una buena
precisión del doblado porque está provista de un indicador de ángulo en la matriz
de curvado, y es posible doblar piezas de gran longitud por estar en posición
horizontal.
La figura 1.17 muestra la dobladora de la marca Ercolina con sus accesorios, una
de las firmas líderes de la industria en el suministro de equipo de fabricación de
máquinas de doblado de metal para fabricantes comerciales y profesionales en los
EE. UU., Canadá, México y América en general. Las máquinas son diseñadas
para producir sus aplicaciones con precisión y certeza, por lo que permiten
aumentar las ganancias y mejorar la calidad del producto final.
17
Figura 1.17: Dobladora electro-mecánica marca Ercolina. (http://ercolina-usa.com.)
Esta máquina posee excelentes características: es ideal para producir doblados de
calidad constante en tubos, tuberías, cuadrados, sólidos y otros perfiles, con solo
cambiar su herramental. Además, tiene control de pantalla táctil programable,
almacena ángulos de doblez con un sistema de diagnóstico en múltiples idiomas,
y además, un sistema de cambio rápido de herramientas en múltiples radios
disponibles. En ella se pueden doblar ángulos de hasta 180° con compensación
independiente de recuperación de flexión para cada doblez. Presenta un inicio de
ciclo de doblado con panel de control o con los pedales incluidos, y un controlador
electrónico repetitivo para la posición de la contra matriz para mayor precisión y
repetición.
Se destaca que el herramental empleado en todas las máquinas presentadas con
anterioridad (matriz y dado), sobre todo en la dobladora electro-hidráulica y la
electro-mecánica, presenta diseños que permiten la intercambiabilidad y
adaptación al perfil que se requiere doblar. Las matrices y los dados están
fabricados por lo general de aleaciones de aluminio resistentes y en algunos casos
de acero u otras aleaciones que resisten a elevados esfuerzos. Por lo general la
18
fabricación de la matriz se basa en procesos de maquinado. La obtención de los
dados es por procesos de fundición y posterior maquinado, o puede lograrse a
partir del maquinado. En los casos en que los materiales no resistan grandes
esfuerzos por la geometría de la pieza, es necesario un tratamiento térmico.
En la actualidad se distinguen dos diseños principales de dados: los primeros, en
los cuales se pueden doblar una sola sección transversal, o sea una sola forma de
perfil, y otros, en los que se presenta el recurso de doblar más de una sección
transversal. Esta última variante es más factible de diseñar y construir porque
ahorra material, disminuye el tiempo de preparación a la hora de intercambiar los
herramentales, lo que trae consigo a que aumente la productividad del proceso de
doblado.
1.4 Materiales utilizados para la fabricación de accesorios y herramientas de
conformar.
Para realizar una correcta selección de los materiales, debemos partir de la
clasificación de los aceros los cuales pueden ser clasificados atendiendo a:
A sus aplicaciones en:
A su composición química en:
- Aceros al carbono.
A su estructura en equilibrio en:
- Aceros hipoeutectoides, que tienen en su estructura exceso de ferrita.
- Aceros eutectoides, que tienen estructura perlítica.
- Aceros hipereutectoides, que tienen en su estructura exceso de carburos
(secundarios).
- Aceros ledeburíticos, que tienen en su estructura carburos primarios, que se
separan del acero líquido.
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- Perlíticos, que se caracterizan por tener un contenido relativamente bajo de
elementos de aleación (lento).
aleación (violento).
- Austeníticos, que contienen un alto contenido de dichos elementos.
Los aceros de construcción poseen una composición química entre C (0,08 - 0,7)
%, los cuales se emplean en la fabricación de elementos de máquinas, estructuras
de construcción, y otras instalaciones por lo que deben poseer buenas
propiedades mecánicas, como son: tenacidad, alto límite de fluencia, resistencia al
desgaste, etc. Se destina a fabricar piezas que han de sufrir grandes cargas y a la
vez de una alta resistencia, debe poseer tenacidad, para poder aguantar los
efectos dinámicos y de choque. En otras palabras, el material debe ser resistente
y seguro (Guliaev, 1979).
Dentro de los aceros de construcción se encuentran los aceros termomejorables y
los cuales se caracterizan por poseer diferentes elementos de aleación como son
el C (0,3 - 0,5) %, Cr (0,8 - 1,5) %, Ni (1 - 3,4) %, W (0,5 - 0,8) %, V (0,1 - 0,2) %,
Mn (0,5 - 1,2) %, Si (0,17 - 1,2) % que sumados no son más del 3,5 % y
frecuentemente cerca de 0,1 % de afinadores de grano (vanadio, titanio, circonio).
También cuentan con impurezas constantes como son el Mn (0,60 - 0,90) %, P
(0,040) % y el S (0,050) %, pueden ser al carbono o aleados. Estos aceros son
muy utilizados en la fabricación de elementos de máquinas (ruedas dentadas,
árboles de trasmisiones dentadas, husillos, pasadores) y se dividen en 5 grupos
(Guliaev, 1979).
Grupo I: aceros al carbono simples, se emplean generalmente en estado
normalizado o con tratamiento térmico, ejemplos de estos marcados, acero 40, 45,
50. En estos aceros se alcanza una templabilidad buena para diámetros críticos
de (10 – 12) mm.
Grupo II: aceros termomejorables aleados al cromo según la norma GOST: 40X,
45X, 50X y según la NC: 40Cr, 45Cr, 50Cr los cuales contienen alrededor de un 1
% de Cr. Este acero aleado, cuando se enfría en aceite, permite obtener una
20
templabilidad total hasta diámetros críticos de 20 mm, con cierto descenso del
umbral de fragilidad en frío.
Grupo III: aceros aleados al cromo con otros elementos de aleación para mejorar
la templabilidad. En estos aceros se logra una mejor templabilidad para secciones
de un diámetro crítico de (20 - 30) mm. Elementos como el manganeso,
molibdeno, silicio y titanio hacen que el temple sea más profundo, pero a su vez,
excepto el molibdeno, disminuyen la reserva de tenacidad y su marcado según la
norma GOST: 40X, 30XT, 30XC y según la NC: 40CrMn, 30CrMnTi, 30CrMnSi.
Grupo IV: aceros aleados al níquel que contienen los mismos elementos de
aleación que el grupo anterior, pero que además presentan Ni (1 - 1,5) %. El
níquel, a diferencia de otros elementos, hace al mismo que la templabilidad sea
mayor (el diámetro crítico se eleva, (30 – 50) mm) y que descienda el umbral de
fragilidad en frío y su marcado según la norma GOST: 40XH, 40XHP y 42XM y
según la NC: 40CrNi, 40CrNiB, 42CrMoV.
Grupo V: aceros aleados con los elementos de aleación mencionados en los
grupos anteriores, pero Ni (2 - 3) %. En estos aceros se logra buena templabilidad
para diámetros (50 – 100) mm y el marcado de estos aceros son según la norma
GOST: 30XH3, 30XH2B, y según la NC: 30CrNi3, 30CrNi2WV; estos aceros son
propensos a la fragilidad de revenido de II tipo. Por esto, para las piezas de
grandes dimensiones que sufren cargas dinámicas, conviene utilizar aceros Cr - Ni
- Mo o Cr - Ni - Mo - V. Como es natural, el alto contenido de níquel que tienen
estos aceros hace descender el umbral de fragilidad en frío hasta temperaturas
más bajas que en otros aceros.
La conformación de los metales puede realizarse en frío o en caliente. Para lo cual
se utilizan los aceros para herramientas.
1.4.1 Aceros para herramientas.
1. De baja templabilidad (principalmente al carbono).
2. De alta templabilidad (aleados).
21
3. Para matrices.
Aceros de baja templabilidad.
Su composición química es de (0,7 -1,3) % C, a este grupo pertenecen todos los
aceros al carbono para herramientas y los aceros con pequeño contenido de
elementos de aleación y que, por lo tanto, no difieren mucho por su templabilidad
de los aceros al carbono. Estos aceros se reúnen en un grupo por su propiedad
tecnológica más importante: la baja templabilidad. Los aceros al carbono para
herramientas se fabrican de las siguientes marcas: (AISI W1, W2, W5) los cuales
pueden tener hasta un 1,2 % de C.
Todos los aceros de este grupo deben templarse en agua o en dos medios agua -
aceite, y la herramienta fabricada con ellos, por lo general, no tiene templado el
núcleo. Esto debe tenerse en cuenta cuando se elige el acero para herramienta, al
diseñarla, al someterla al tratamiento térmico, y durante su explotación.
Las propiedades de los aceros al carbono para herramientas y los regímenes de
su tratamiento térmico dependen principalmente del contenido de carbono para lo
cual nos apoyamos en software. (CES EduPack, 2013)
Uno de los aceros más utilizados para la fabricación de dados y matrices para la
conformación de perfiles de acero es el acero de baja templabilidad Y10A, según
norma GOST; y que posee su equivalencia según otras normas internacional tales
como la AISI W1; AISI 1095, DIN 17222 – D95-2 que posee las siguientes
propiedades mecánicas:
Tabla 1.2 Propiedades mecánicas del acero ASIS 1095 (SolidWork 2014)
22
CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LOS ACCESORIOS DE LA MÁQUINA HIDRÁULICA
PARA OPERACIONES DE DOBLADO EN PERFILES
En este capítulo se describe la máquina electro-hidráulica, y sus parámetros de
trabajo. Se muestra también el diseño y la tecnología de elaboración de las
herramientas para el doblado de perfiles. Además, como parte del diseño del
herramental se realiza un análisis por el Método de Elementos Finitos (MEF) de
los pasadores, la matriz y los dados.
2.1 Descripción general de la máquina.
La máquina que se muestra en la figura 2.1 fue diseñada y construida para realizar
operaciones de doblado de varios diámetros de tuberías, comprendidas entre los
9,5 mm y los 50 mm de diámetro exterior y espesor de 1,5 mm.
Figura 2.1: Dobladora electro-hidráulica
Está compuesta por una estructura base, confeccionada a partir de perfiles
cuadrados unidos por soldadura que cumple la función de alojar el motor, la
bomba, el sistema eléctrico, y el sistema hidráulico, que incluye un tanque para
almacenar el aceite y un manómetro para medir la presión de salida de la bomba.
También presenta unas guías, confeccionada a partir de chapas y unidas
mediante soldadura para alojar el actuador hidráulico (pistón hidráulico), así como
también los dados acoplados a esta mediante pasadores. Con estos últimos
elementos se puede variar las posiciones en dependencia del radio de curvatura
23
que se quiera lograr. De igual manera consta de una matriz en forma de medio
arco, herramienta encargada de alojar el tubo cuando se va a deformar y restringir
la deformación del material. Además, cuenta con un pulsador a distancia, un
contactor con relé térmico contra las sobrecargas y una válvula para el control
direccional para direccionar el flujo de aceite hacia la carrera de trabajo del pistón
o en el sentido de retroceso.
2.2 Diseño de los accesorios de la dobladora.
En el capítulo 1 se distinguen una amplia variedad de diseños de herramientas
para el doblado de perfiles, ya sea de forma circular, cuadrada o rectangular. A
partir de los diseños presentados se distingue en este trabajo un diseño propio de
las herramientas que son necesarias para la dobladora hidráulica, principalmente
las matrices y los dados para el doblado de perfiles cuadrados y rectangulares.
En esta máquina se desean doblar perfiles cuadrados de hasta (50 x 50 x 3) mm,
o su sección equivalente en los rectangulares. Pero es necesario conocer de
antemano la fuerza de doblado que debe ejercer la máquina para poder deformar
perfiles de esta dimensión y así realizar el diseño correcto de las herramientas.
En la tabla 2.1 se recoge una serie de perfiles de aceros que son empleados para
construir piezas a partir del proceso de doblado. Para realizar el cálculo de la
fuerza en este trabajo se toma un perfil otra forma, grado B, el cual es empleado
comúnmente en los trabajos de doblado. Ya conocido el perfil del acero con el que
se debe trabajar, para determinar la fuerza de doblado de este perfil se sustituye
los valores en la ecuación 1.12 presentada en el capítulo 1. Teniendo que la
tensión de fluencia del material seleccionado es igual a 317 MPa, con las
ecuaciones 1.13 y 1.14, se determina el momento de inercia y la distancia a la
fibra más alejada en estudio, la distancia entre apoyos es igual a 500 mm. Luego,
el valor de la fuerza máxima de doblado calculada es de 31 648 N para la mayor
dimensión del perfil.
24
Tabla 2.1: Propiedades de los aceros estructurales. (Mott, R. s.f.)
Designación del
material (número
Otra forma, grado A 310 269
Otra forma, grado B 400 317
Otra forma, grado C 417 345
En la tabla 2.2 se brinda un resumen de los valores de las fuerzas de doblado
determinada según el procedimiento de cálculo anterior, para perfiles cuadrados
de medidas comprendidas de (50, 45, 40 y 30) mm con un espesor de 3 mm.
Tabla 2.2: Tabla resumen de Fuerzas de Doblado.
Perfil cuadrado Fuerza de doblado (N)
50 x 50 31648,0
45 x 45 25190,9
40 x 40 19400,4
30 x 30 10118,6
En la figura 2.2 se muestran en una tabla las dimensiones y espesores que
pueden tener los perfiles cuadrados,(http://www.condesa.). Y como se comentó
con anterioridad se eligió un perfil cuadrado de (50 x 50 x 3) mm como máxima
dimensión a deformar en esta máquina, y en la cual también se desea doblar las
dimensiones de (45, 40 y 30) mm.
25
2.2.1 Diseño y análisis mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) de los
dados para el doblado.
En este subepígrafe se describe el diseño de los dados para la máquina hidráulica
con la cual se requiere doblar perfiles cuadrados o rectangulares. En la actualidad
se distinguen dos diseños principales de dados: unos en los cuales se pueden
doblar una sola sección transversal, o sea una sola forma de perfil, y otros en los
cuales se presenta la opción de doblar más de una sección transversal.
En este caso se seleccionó para el diseño la segunda variante mencionada, sobre
todo porque no es necesario construir tantos juegos de dados, ya que con uno se
puede doblar hasta cuatro secciones diferentes, con solo girar y seleccionar la
dimensión a doblar. En este caso se puede realizar esta variante porque desde el
comienzo del proceso de doblado el dado gira aproximadamente 90º hasta
alcanzar el doblado deseado, no es como el principio de otros procesos de
doblado en otras máquinas en los cuales el dado debe de girar hasta 360º.
En la figura 2.3 a se muestra el dado diseñado de forma isométrica, cuya función
es conducir los perfiles con secciones de (50, 45,40 y 30) mm durante la operación
de doblado. Como material para los dos dados se propone un acero AISI 1095, y
para su fabricación se parte de una barra cuadrada con sección de (80 x 80) mm.
Estos se elaboran en una fresadora universal modelo 675, en la cual se le
practicarán las cavidades donde van alojados los perfiles, y posteriormente se
26
realizará el agujero donde va ubicado el pasador con una taladradora vertical
modelo BS25-B. Los documentos referentes a la propuesta del proceso de
maquinado se encuentran en el capítulo 3. En la figura 2.3 b) se observa las
dimensiones que presenta esta sección para doblar un perfil cuadrado de 45 mm,
y en las figuras 2.3 c) hasta la e) se recogen las secciones y forma que presenta
cuando se doblan perfiles de 40 hasta 30 mm.
a)
b) c)
d) e)
Figura 2.3: Dados para doblar perfiles cuadrados y rectangulares: a) Isométrico, b)
sección para doblar 50 mm, c) sección para doblar 45 mm, d) sección para doblar
40 mm y e) sección para doblar 30 mm.
27
A continuación se establece el análisis realizado mediante el MEF al dado para
comprobar si las dimensiones de diseño, así como el material, son los adecuados
para que resista a las solicitaciones de carga requeridas. Para ello fue necesario,
primero, introducir los siguientes parámetros: tipo de estudio (estático), tipo de
material (acero AISI 1095), restricciones (empotramiento en el extremo), carga
aplicada de 15 824 N (en este caso es la mitad de la fuerza de doblado) y tipo de
mallado (medio). La carga fue aplicada a una de las caras del dado, puesto que en
este diseño se ejerce la fuerza en una cara a la vez.
La figura 2.4 representa el resultado de las tensiones resultantes al aplicar la
carga en el dado. Se observa que la máxima tensión que actúa es de 185 MPa, y
esta se encuentra en el cambio de sección, ya que estos son lugares
concentradores de tensiones. Para disminuir en alguna medida los valores de
tensión se propone redondear estas zonas.
Figura 2.4: Tensiones equivalentes del dado.
En la figura 2.5 se observa que el coeficiente de seguridad presenta un valor
mínimo de 3; el cual se encuentra dentro de los permisibles para el diseño de los
elementos de máquinas. Por tanto, llegamos a la conclusión de que el dado resiste
a las tensiones máximas aplicadas.
28
Figura 2.5: Coeficiente de seguridad del dado.
Las figuras 2.6 y 2.7 representan los resultados de los desplazamientos y las
deformaciones del dado al ser aplicada la carga, los cuales muestran valores muy
pequeños, de 0,0763 mm y 0,000752 mm respectivamente. En el caso de los
desplazamientos, se puede observar que tienen mayor incidencia en los extremos
del dado. Esto se debe a que tienen menos espesor que el resto de la pieza. Por
otra parte, las deformaciones se producen en los cambios de sección, y como se
explicó anteriormente, se debe a que son zonas que reciben mayor concentración
de tensiones.
29
Figura 2.7: Deformaciones del dado.
A partir del análisis de los resultados anteriores, se puede concluir que la
geometría definida en el diseño, así como la selección del material para su
construcción, son adecuadas, ya que los resultados alcanzados se encuentran
dentro de los valores permisibles.
2.2.2 Diseño y análisis mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) de la
matriz y diseño del dado fijador.
Las matrices de las dobladoras se pueden construir de diversas formas y
materiales. Algunas se construyen a partir de aleaciones de aluminio mediante
procesos de fundición y luego un maquinado; y otras, mediante procesos de
maquinado.
La propuesta de matriz que se muestra a continuación (ver figura 2.8) es a partir
de la segunda variante explicada con anterioridad. O sea, confeccionarla mediante
un proceso de maquinado, La matriz mostrada es un ejemplo de las diseñadas
para la dobladora, que en total fueron cuatro de estas herramientas. Esta matriz se
compone de un dado que se acopla directamente al pistón de la máquina
mediante tornillo, y a su vez la matriz se fija al bloque mediante dos tornillos.
30
La particularidad que presenta esta matriz es que se ha diseñado con un solo
dado, y cuatro matrices que se pueden intercambiar en dependencia del perfil que
se desee doblar (50, 45, 40 y 30) mm.
Para confeccionar las matrices se parte de chapas con espesores que varían entre
(5 y 8) mm para las caras laterales, y una de 10 mm para la forma arqueada como
se muestra en la figura 2.8.
Por poner un ejemplo, para lograr las caras laterales de la matriz que dobla el
perfil de 50 mm (ver figura 2.8), los bordes laterales son de 5 mm de espesor. La
pieza en bruto se corta en una cizalla modelo H475 para aproximar el corte, y
luego se maquina en una fresadora, según el plano de pieza que se encuentra en
los anexos. Con estos elementos obtenidos con anterioridad, se elaboran los
agujeros con un diámetro de 10 mm con el auxilio de una taladradora vertical
modelo BS25-B, con el objetivo de fijar la matriz al dado mediante tornillos.
Figura 2.8: Matriz para doblar perfiles cuadrados y rectangulares.
Para confeccionar el dado (ver figura 2.9), cuya función es sujetar la matriz de
doblado, se parte de barras cuadradas con dimensiones de (70 x 70) mm de un
acero AISI 1040, siguiendo la tecnología propuesta en el capítulo 3. La pieza
conseguida tendrá una medida final de (65 x 50 x 62) mm y un ángulo de 30° para
acoplar con la matriz. Luego, se realizará un agujero a todo lo largo del dado con
un Ø15 mm para que se pueda fijar el pistón; además, en la cara frontal se
elaborarán dos agujeros que serán roscados con posterioridad a una dimensión
M10, para la fijación de la matriz mediantes tornillos.
Dado
Matriz
Tornillos
31
Figura 2.9: Dado soporte.
Se le realizó un cálculo mediante el MEF a la matriz para comprobar su resistencia
a la carga aplicada, y para ello se establecieron los siguientes parámetros: tipo de
estudio (estático), tipo de material (acero AISI 1095), carga aplicada (31648 N) la
cual en medidas de presión tiene un valor de 2,7 MPa. Esta presión se aplica en la
cara de la matriz, ya que al efectuar la operación de doblado, el perfil ejerce una
presión sobre esta sección de la matriz.
En las figuras 2.10 y 2.11 se muestran los resultados de las tensiones
equivalentes y del factor de seguridad. Al aplicar la carga de 2,7 MPa, la máxima
tensión obtenida es de 527 MPa, la cual es menor a la permisible del material, de
un valor de 750 MPa, las mayores tensiones se encuentran en los agujeros de los
tornillos. Con los resultados obtenidos al realizar el análisis, podemos concluir que
la matriz resiste la carga aplicada. De igual manera el factor de seguridad es
aceptable, de 1,42; el cual se encuentra dentro de los valores tomados para el
diseño de elementos de máquinas.
Figura 2.10: Tensiones equivalentes de la matriz.
32
Figura 2.11: Coeficiente de seguridad de la matriz.
Los resultados de la distribución de los desplazamientos y las deformaciones se
muestran en las figuras 2.12 y 2.13. Estas variables presentan un valor máximo de
0,178 mm y 0,00144 mm respectivamente. Los desplazamientos se pueden
observar en los extremos de la matriz, lo cual sucede cuando esta ejerce la fuerza
para deformar el perfil y este, a medida que se deforma, ejerce presión en los
extremos. De estos resultados se puede confirmar que la matriz diseñada resiste a
la carga aplicada al deformar el perfil, confirmando con este hecho que tanto el
material como la geometría son variables que se seleccionaron correctamente en
el diseño, ya que resiste a las solicitaciones presentes en la pieza.
Figura 2.12: Desplazamientos de la matriz.
33
Figura 2.13: Deformaciones de la matriz.
2.2.3 Materiales seleccionados para la construcción de las herramientas.
Los materiales que se deben emplear en la fabricación de los dados y matrices
son erl acero AISI 1045 con una dureza de 40-45 HRC y AISI 1095 con una
dureza de 58 – 60 HRC.
34
CAPÍTULO 3. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN Y ANÁLISIS ECONÓMICO DE
LOS ACCESORIOS PARA EL DOBLADO DE PERFILES EN UNA DOBLADORA
ELECTRO-HIDRÁULICA
En esta sección se detalla la tecnología de fabricación de los accesorios para el
doblado de perfiles, teniendo en cuenta un mejor aprovechamiento del tiempo de
trabajo. Dicha tecnología presenta las cartas rutas y de operaciones regidas por la
norma cubana. Además, se realiza un análisis económico sobre la obtención de
las herramientas para la dobladora (matriz y dados), así como su impacto
medioambiental.
35
Tabla 3.8. Carta de ruta del proceso de mecanizado para el dado.
Departamento
Denominación de la pieza
Denominació
Oper. Nro.
operación tecnológica
Equipo tecnológic
Tarifa Escala
TPC
salario
TU
(min.)
36
l
005
bruto hasta el largo,
rey
Operario
A
VIII 0,15 5,65
las dimensiones
2
37
Tabla.3.9.Carta de operación tecnológica de corte del proceso de mecanizado para el dado.
Croquis Número Denominación de la operación
Taller Sección Operación
dimension
es
elaboraran al mismo tiempo
Auxiliar De corte De
38
(mm) (mm)
española - - - - - - - - - - 1
segueta
3 Desmontar pieza Llave
Tabla.3.10.Carta de operación tecnológica de fresado del proceso de mecanizado para el dado.
Croquis Número
elaboraran al mismo
39
1 Fresadora horizontal universal – Modelo
6H81
Utillaje
tecnológico,
código,
denominación
s - - - - - - 1.5
3 Fresado de
acabado. Sup. 1 -
4 Desmontar e
40
Ø 50 mm
6 Fresado de
acabado. Sup. 2
7 Desmontar e
9 Fresado de
acabado. Sup. 3 -
9 Desmontar e
11 Fresado de
acabado. Sup. 4 -
12 Desmontar e
invertir - - - - - - - - - - - 1
13 Fresado de - Fresa Pie de - 50 1.5 2 1,2 100 16 0,64
41
desbaste. Sup. 5 cilíndrica
15 Desmontar - - - - - - - - - - - 1
Tabla.3.11.Carta de operación tecnológica de fresado del proceso de mecanizado para el dado (Continuación)
Taller Sección Operación
Utillaje Pie de Rey Cabezal divisor Refrigerante(aceit
42
tecnológico,
código,
denominació
n
-
3
-
4 Desmontar e
43
Tabla.3.12.Carta de operación tecnológica de taladrado del proceso de mecanizado para el dado.
Croquis Número
Perfil y
Utillaje
tecnológico,
código,
denominación
Refrigerante
No
No. Contenido del paso Herramienta y medio Dimensiones a i Regímenes de corte TP TA
44
Operació
n
tecnológi
ca
3 Taladrar agujero 3
4 Retaladrar agujero
45
Tabla.3.13.Carta de operación tecnológica de taladrado del proceso de mecanizado para la matriz.
Croquis Número
Perfil y
HRc 1.92 kg
46
Utillaje
tecnológico,
código,
denominación
Refrigerante
No
No.
Operación
tecnológic
a
en la mesa
5 Desmontar pieza Llave
47
Tabla.3.14.Carta ruta del proceso de mecanizado para el dado.
Departamento de mecánica
Universidad de Holguín
Carta ruta Código de la pieza Código de los documentos tecnológicos
Denominación de la pieza Etapas de elaboración
dado DT
kg
010 Fresado: Fresadora Fresa de Operario A VIII 2,05 51
48
-Fresar todas
2
49
Tabla3.15.Carta de operación tecnológica de corte del proceso de mecanizado para el dado.
Taller Secció
Auxiliar De corte De Diám. Longitu S n V
50
medición (mm) d
española - - - - - - - - - - 1
segueta
3 Desmontar
51
Tabla.3.16.Carta de operación tecnológica de fresado del proceso de mecanizado para el dado
Croquis Número Denominación de la
operación
Utillaje
tecnológico,
código,
denominación
52
(mm) (mm)
3 Fresado de
acabado. Sup. 1 -
4 Desmontar e
7 Fresado de
acabado. Sup. 2
8 Desmontar e
invertir - - - - - - - - - - - 1
9 Fresado de - Fresa de Pie de 80 2 10 1.5 100 16 5.1
53
desbaste. Sup. 3 vástago
11 Desmontar e
13 Fresado de
acabado. Sup. 4 -
14 Desmontar e
17 Fresado de
acabado. Sup. 5 -
54
Ø 30 mm
18 Desmontar - - - - - - - - - - - 1
Tabla.3.17.Carta de operación tecnológica de taladrado del proceso de mecanizado para el dado.
Croquis Número
Perfil y
Cantidad de piezas que
se elaboraran al mismo
Utillaje
tecnológico,
código,
Refrigerante
No
55
denominación
No.
Operación
tecnológic
a
en la mesa
rey, regla 10 60 2 1 Manual 450 18 - 1,5
3 Retaladrar agujero
diámetro 15 mm -
1
1
1
56
3.1. Análisis económico
En este epígrafe se establece el análisis del costo total para la fabricación de los
accesorios de la dobladora. Para determinar los costos, ilustramos, mediante un
ejemplo, cuál es la metodología a seguir para obtener el valor final de la
construcción de los accesorios.
A continuación, se muestra el ejemplo del cálculo para el dado, en el cual se
tienen en cuenta los costos de elaboración y la materia prima. Estos se
determinan a partir de los tiempos recogidos en la ruta tecnológica y la carta de
operaciones mostradas anteriormente. A continuación, se desglosan los términos
empleados en este cálculo.
CkW - Costo del kW/h.
Ts - Tiempo de servicio.
conclusión.
C1 - Gasto para amortizar la máquina
herramientas utilizadas.
mantenimiento.
mantenimiento de dispositivos.
mantenimiento de herramientas.
eléctrica.
máquina.
57
Np - Número de piezas.
So - Salario de obreros.
mantenimiento.
L - Longitud.
F - Fondo de tiempo anual de trabajo
de las máquinas.
máquina.
TCa – Tarifa por condiciones
TC - Tiempo de cálculo.
En la tabla 3.1 se muestra de forma resumida los gastos por amortización,
consumo de energía eléctrica y mantenimiento de las máquinas herramientas
empleadas en la confección de este elemento.
Tabla 3.1: Gastos por amortización, mantenimientos de las máquinas y gastos
consumo de energía eléctrica.
Gasto para amortizar las
58
fresadora = 0,65
taladradora = 0,65
F = 2160
Nm taladradora =
1,5 kW
Las ecuaciones utilizadas para determinar los tiempos de los procesos de
manufactura a emplear en la fabricación de la pieza, se resumen a continuación.
Top =Ta + Tp (tiempo operativo)
Tst =(0,01- 0,035) Top (tiempo de servicio técnico)
Tso =(0,01- 0,08) Top (tiempo de servicio organizativo)
Trn = (0,04- 0,06) Top (tiempo de receso normado)
Ts =Tso + Tst (tiempo de servicio)
Tu = Top + Ts + Trn (tiempo unitario)
Tc = Tu + Tpc/Np (tiempo de cálculo)
Tpc (tiempo preparativo conclusivo)
Np (número de piezas)
A continuación, se establece la metodología de cálculo para determinar los costos
de fabricación del dado. El costo total para la fabricación de la pieza depende de
dos costos principales: el del material a partir del cual se confecciona (C material)
y el del proceso de manufactura para producirla (C maquinado); este se puede
expresar siguiendo la ecuación 3.1.
maquinadomaterialpieza CCC (3.1)
Los gastos de material (M) se determinan mediante la ecuación 3.2. En ella se
tienen en cuenta diferentes términos, tales como: masa del material de la pieza en
bruto en kg (G1 = 3,02 kg) y precio en pesos por kilogramo del material de la pieza
en bruto (q1 = 0,59 USD/kg).
59
11 qGM (3.2)
El material que se empleará en la confección de los dados es un AISI 1095, el cual
se puede comprar en barras cuadradas de 80×80 mm. El precio al por mayor del
acero AISI 1095 (590 USD/tonelada) y sustituyendo todos los términos en la
ecuación 3.2, se tiene que el costo del material para elaborar el dado es de 1,78
CUC.
En la tabla 3.3 se resume los tiempos de mecanizado para la fabricación de esta
pieza.
Parámetros Corte Fresado
Tp 21,13 27,13
Ta 2,08 6,5
Top 23,21 33,63
Tst 0,42 0,54
Tso 0,93 1,34
Trn 1,16 1,68
Ts 1,35 1,88
Tu 24,79 37,19
Tc 27,79 62,69
Tpc 3 51
El costo total de los procesos de maquinado se determina sumando los costos de
todos los procesos que se realizaron para obtener el dado. Este se expresa según
la ecuación 3.3.
taladradofresadoseguetamaquinado CCCC (3.3)
El costo del proceso de corte en la segueta se determina mediante la ecuación
3.4, mientras que con la ecuación 3.5 se determina el término costo de
elaboración de la pieza en esta misma máquina (S0). En tanto, con la ecuación 3.6
se calcula el término (Ha) que incluye los gastos de amortización, reparación,
energía eléctrica, etc.
60

321 CCCHa (3.6)
Donde los valores de tso, Tc, Kdr, Kv, Kss, se expresan en la tabla 3.4:
Tabla 3.4: Proceso de corte.
tso ($/h) Tc (min) Kdr Kv Kss
2,05 27,79 1,090 1,07 1,08
Sustituyendo en la ecuación 3.5, obtenemos que el costo de elaboración (S0) es
igual a 2,58 CUP.
Los gastos para amortizar la máquina se pueden determinar mediante la ecuación
3.7.
Tc =27.79 min
Sustituyendo en la ecuación 3.7, obtenemos que el costo de amortización de la
segueta (C1) es de 0,053 CUP.
Los gastos por reparación de la máquina se calculan con la expresión 3.8.
61
c m T
B = (4.5 – 5 %) = 5 % (coeficiente del gasto por reparación)
Si se sustituyen los términos en la ecuación 3.8, se obtiene que el gasto por
reparación (C2) es de 0,019 CUP.
Los gastos por concepto de energía eléctrica vienen dados por la ecuación 3.9.
6080.0 3
Φm = (0,5 – 1) = 0,7 (Coef. de utilización de la máquina)
Ckw = 0.2 CUP/kW (tarifa de pago)
Tp = 21,3 min (tiempo principal por piezas)
Sustituyendo los términos en la ecuación 3.9, obtenemos que el gasto por energía
eléctrica es igual a 0,056 CUP. Luego se sustituyen los gastos en ecuación 3.6 y
se determina que el término (Ha) es igual a 0,128 CUP. Finalmente, el costo total
en el proceso de corte en la segueta (C segueta) es de 2,70 CUP.
De la misma manera el costo del proceso de fresado se determina siguiendo las
expresiones 3.4, 3.5 y 3.6. En este caso los términos son diferentes al proceso
anterior y se expresan en la tabla 3.5:
Tabla 3.5: Proceso de fresado.
tso ($/h) Tc (min) Kdr Kv Kss
2,05 62,69 1,090 1,07 1,08
Sustituyendo en la ecuación 3.5 obtenemos que S0 es igual a 2,74 CUP.
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Los gastos para amortizar la fresadora (C1) se determinan empleando la ecuación
3.7, sustituyendo los términos que a continuación se brindan, da como resultado
un valor de 0,74 CUP.
a = (10 - 16 %) = 13 %
Cm = 7 000 CUP
F = 2 160 h
Tc = 62,69 min
Mientras que los gastos por reparación de la máquina (C2) se determinaron
haciendo uso de la fórmula 3.8, teniendo en cuenta que en este caso el término
coeficiente de gasto por reparación (B) es igual al 5 %. Sustituyendo los valores da
como resultado un gasto de 0,29 CUP.
De igual manera los gastos de energía eléctrica (C3) vienen dados por la ecuación
3.9. En este equipo los datos son los que se describen a continuación:
Donde:
Φm = (0.5 – 1) = 0.7 (Coef. de utilización de la máquina)
Ckw = 0.2 CUP/kW (tarifa de pago)
Tp = 27,13 min (tiempo principal por piezas)
Sustituyendo en la ecuación 3.9 obtenemos que el gasto por energía eléctrica es
de 0,21 CUP. Luego todos los gastos referidos al término (Ha) brindan un valor de
1,24 CUP. Mientras que el gasto total (C fresado) da un resultado de 3,98 CUP.
Con las fórmulas antes planteadas, se realizó además el cálculo para el taladrado
del dado, del cual resultó un valor de costo total en el proceso de taladrado (C
taladradora) de 1,15 CUP.
En la tabla 3.6 se muestra de forma abreviada los resultados de los costos del
dado, utilizando las fórmulas y la metodología de cálculo descrita. Es de destacar
que el costo total de la pieza asciende a la cifra de 7,83 CUP y 1,78 CUC.
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Tabla 3.6: Costo de producción del dado.
Operaciones de
Costo total 7,83
Los resultados alcanzados de los cálculos económicos para determinar los costos
de elaboración de cada una de las piezas de la máquina, se pueden observar en
la tabla 3.7. Se observa, en esta misma tabla, que el costo total de fabricación de
las herramientas para el doblado con la máquina hidráulica es de 58,61 CUP y
4,34 CUC.
Tabla 3.7: Costo total de los accesorios de la dobladora electro-hidráulica.
Elementos Costo de
Dado (1 ud) 5,88 1,74
Matriz (1 ud) 37,07 0,82
Total 58,61 4,34
3.2 Análisis medio ambiental sobre la propuesta tecnológica de construcción
de las herramientas.
La protección del medio ambiente es uno de los problemas científico- técnicos
más complejos que enfrenta la humanidad actualmente. El desarrollo vertiginoso
de las máquinas en los últimos años ha llevado a niveles sin precedentes la
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contaminación de la atmósfera y de las aguas con sustancias nocivas al hombre,
los animales y las plantas.
Los talleres son lugares donde se debe combatir la emisión de partículas no
quemadas y la generación de gases tóxicos, las cuales pueden provocar
consecuencias negativas a la salud, fundamentalmente a los trabajadores a pie de
obra. Para atenuar esta influencia negativa sobre el medio ambiente, cada entidad
debe de introducir medidas tecnológicas y de gestión que permitan reducir los
consumos de materiales y energía, prevenir la generación de residuos, reducir los
riesgos operacionales y otros posibles aspectos ambientales negativos que
intervienen en el ciclo de producción.
Para la fabricación de las herramientas para la dobladora hidráulica, se debe
pasar el semiproducto por varios procesos tecnológicos, tales como: corte,
fresado, taladrado; todos estos procesos son contaminantes del medio ambiente.
Por poner algunos ejemplos, en el taller de maquinado, los residuos de líquido
refrigerante van a las cañerías y producen contaminación en la bahía. Los
volúmenes de virutas producidos ocupan grandes espacios interfiriendo en el
desarrollo del proceso productivo. La niebla del líquido refrigerante es perjudicial
para la salud.
Para atenuar esta influencia negativa que produce el mismo proceso productivo
para la construcción de las piezas se propone una serie de recomendaciones:
1. Utilizar medios de protección, como orejeras, overoles y botas.
2. Reciclar el líquido refrigerante y evitar su derrame.
3. Un adecuado almacenamiento de la viruta generada.
4. Se prohíbe el uso de ropas sueltas; en caso de emplear mangas,
deben abotonarse.
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CONCLUSIONES
Como principales conclusiones del trabajo tenemos:
1. Los cálculos de resistencia realizados a las herramientas diseñadas (matriz
y dado) por el MEF evidenciaron que el material y las secciones
seleccionadas resisten a las cargas aplicadas. De esta forma se garantiza
que las piezas diseñadas tendrán una durabilidad adecuada.
2. En el actual trabajo se propone la construcción de herramientas amigables
con el medio ambiente, pues se han diseñado útiles que permiten el
doblado de diversos perfiles y además, se proponen tecnologías de
fabricación.
3. Con la propuesta de diseño de los accesorios y su posterior construcción,
en la máquina se pueden realizar doblados de perfiles cuadrados de (50,
45, 40 y 30) mm con espesores de 3 mm, variante que permitirá elevar el
grado de prestaciones de la máquina.
4. Se determinó mediante el cálculo económico que la construcción de los
accesorios asciende a un monto total de 58,61 CUP y 4,34 CUC, costo
inferior al que se realizaría si se compra el herramental en el extranjero.
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RECOMENDACIONES
1. Automatizar el sistema de posicionamiento en la máquina con el fin de
realizar la operación de doblado con mayor precisión.
2. Construir los juegos de dados y matriz propuestos en este trabajo para así
doblar perfiles cuadrados y rectangulares.
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BIBLIOGRAFÍA
Arias Duque, A. (2009). Diseño y construcción de una máquina hidráulica
dobladora de tubería redonda. . Medellín. Colombia: Trabajo de Diploma.
Universidad EAFIT. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería
Mecánica.
Bustamante Aravena, H. D. (2010). Trabajo de Diploma. Diseño y cálculo de una
máquina curvadora de perfiles para la empresa metal mecánica AGS
ingenieros limitada. Concepción: Universidad BIO-BIO. Facultad de
Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.
G., P. (1989). Manual de Resistencia de Materiales. Mir. Moscú.
Guliaev A.P (1979) Metalografía. Editorial Mir. Moscú
http://ercolina-usa.com. (04/2018). Ercolina-Catalog_en Espanol.
(Fecha de consulta 10/02/2018).
Lloacana Bastidas, M. R. (2010). Trabajo de Diploma.Implementación de un
Sistema de Control Automatizado del ángulo de dobles de tubos para
incrementar el nivel de producción en el taller de accesorios para vehículos
auto-KRAG. Ecuador: Universidad Técnica de Ambato. Facultad de
Ingeniería Civil y Mecánica.
Mott, R. (s.f.). Resistencia de materiales. APÉNDICE 7.
Rivero Ortiz, A. T. (2009). Procesos de Doblado de chapa. Trabajo de Diploma.
Universidad Central Marta Abreu de Las Villas: Facultad de Ingeniería
Mecánica. Departamento de Ingeniería Mecánica.
www.swagelok.com.mx. (Fecha de consulta 4/02/2018). /Catálogo _ 1.
www.virax.com. (Fecha de consulta 4/02/2018). 3-CURVADO › Curvadora
Manual de Banco.
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ANEXOS
69

diseño y tecnología de fabricación de los accesorios para

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