exp 1 - c.angelv
TRANSCRIPT
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 1/11
1
Informe de laboratorio – Experiencia I:
Calibración de Dinamómetro
y herramientas de corte
Cristian O. Angel Valdivia – [email protected]
Procesos de fabricación I, Ingeniería Civil Mecánica
Profesor: José Castillo Miranda
Universidad de La Serena, Agosto de 2014
Resumen
En el presente trabajo se explica y
demuestra el uso de un dinamómetro
conformado por distintas partes y a
diferencia de los dinamómetros comunes
usados en otros lugares, este no obtiene
resultados en tiempo real, ya que sería
muy complicado medir las deflexiones a la
vez que se mide la fuerza de corte para
cada oscilación del maquinado en la
limadora. Por lo tanto se hará uso de lo
aprendido en probabilidad y estadística en
cuanto a lo concerniente a Regresión Lineal
para una nube de datos obtenidos al medir
las deflexiones tanto verticales como
horizontales que se obtienen al simular lafuerza de la pieza sobre la herramienta al
momento del arranque de la viruta, en este
caso una falsa herramienta, mediante el
uso de pesas metálicas en forma de discos
que serán aplicadas una sobre otras. Luego
de obtener los datos de carga para cada
uno de los pesos se procederá a retirar
cada una de las pesas para medir
nuevamente su deflexión y obtener la
diferencia correspondiente a esfuerzos
residuales. Luego de obtener los datos y
tabularlos se calculará la función de la
regresión lineal y se graficará a través de
Wolfram Alpha. Luego se puede utilizar
esta función para obtener una medida de
fuerza de corte aproximada al conocer la
deflexión de la herramienta real, que es del
mismo material que la falsa herramienta.
Por lo tanto se obtiene el funcionamiento
de un dinamómetro que mide fuerzas en
función de desplazamientos cuya precisiónes la misma que la obtenida de la regresión
lineal de los datos antes tomados. Todo lo
anterior apunta a evitar la falla de la
herramienta por fractura debido a una
fuerza de corte excesiva.
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 2/11
2
Figura 1. Limadora presente en el laboratorio de procesos de
fabricación
Objetivo
Demostrar el funcionamiento, montaje y calibración del dinamómetro en la limadora.
1. Introducción
El limado, torneado, fresado y demás
operaciones de maquinado se realizan
utilizando herramientas de corte, la cual se
encuentran en un ambiente agresivo de
altas temperaturas y grandes fuerzas de
corte, lo cual hace peligrar la integridad de
la herramienta y por lo tanto el tiempo de
maquinado y la superficie de la pieza
trabajada. Si la temperatura de trabajo es
demasiado alta el borde de la herramienta
se ablanda y falla. Así mismo si las fuerzas
de corte son más altas de lo que el material
de la pieza permite, ésta falla por fractura.
Existen tres maneras de falla de la
herramienta, las ya mencionadas, por
temperatura y por fractura, y la de
desgaste, que es la más deseada por
motivos de economía. Debido a lo anterior
es necesario buscar mecanismos para
disminuir el riesgo de falla por las dos
primeras razones, la falla por fractura es el
motivo del presente trabajo, es decir,
mediante un estudio estadístico será
posible determinar la fuerza de corte sobre
la herramienta al momento del maquinado.
Esto será posible ya que se medirán las
deflexiones sobre la herramienta cuando
se le aplican cargas estáticas cuando la
limadora está apagada, para que luego
cuando esté en funcionamiento se puedan
medir los desplazamientos de la
herramienta para saber la fuerza
aproximada de corte a la cual está
sometida.
2.
Marco teórico general
Limadora:
La limadora mecánica es una máquina
herramienta para el mecanizado de piezas
por arranque de viruta, mediante el
movimiento lineal alternativo de la
herramienta o movimiento de corte. La
mesa que sujeta la pieza a mecanizar
realiza un movimiento de avance
transversal, que puede ser intermitente
para realizar determinados trabajos, como
la generación de una superficie plana o de
ranuras equidistantes. Asimismo, también
es posible desplazar verticalmente la
herramienta o la mesa, manual o
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 3/11
3
automáticamente, para aumentar la
profundidad de pasada.
La limadora mecánica permite el
mecanizado de piezas pequeñas y
medianas y, por su fácil manejo y bajo
consumo energético, es preferible su uso alde otras máquinas herramienta para la
generación de superficies planas de menos
de 800 mm de longitud.
Componentes principales:
Bancada: es el elemento soporte de
la máquina, aloja todos
los mecanismos de accionamiento,
suele ser de fundición y muyrobusta. Está provista de guías
horizontales sobre las que deslizan
el carnero y dos guías verticales
sobre las que puede desplazarse
verticalmente la mesa.
Guías
Mesa: sobre las guías verticales de
la parte frontal de la bancada se
apoya un carro provisto de guías
horizontales sobre las que se
desplaza la mesa propiamente
dicha, por tanto puede moverse
verticalmente por desplazamiento
vertical del carro.
Carnero o carro: es la parte móvil
de la máquina, desliza sobre guías
horizontales con forma de cola de
milano, situadas en la parte
superior de la bancada y en cuya
parte frontal hay una torreta
provista deun portaherramientas en el que se
fija la herramienta de corte.
Mecanismo de accionamiento del
carnero. Hay varios tipos: por
cremallera, por palanca oscilante y
plato-manivela o hidráulico.
Partes de la limadora y su función:
El carro: proporciona la carrera
hacia adelante y hacia atrás a la
herramienta de corte. Está formado
por el mecanismo fijador de laposición del carro y el cabezal
giratorio, el tornillo de ajuste se
usa para cambiar la posición de la
carrera y la palanca de fijación
mantiene al carro en una posición
fija.
El cabezal giratorio: está sujeto al
carro, sirve para sostener el porta-
herramientas y al pivote que
permite que la herramienta de
corte se levante ligeramente
durante la carrera de regreso.
Además permite girar a ésta a
cualquier Angulo deseado.
La manivela de avance hacia abajo:
proporciona un medio de dar la
penetración o ajuste a la
herramienta de corte en las
unidades marcadas en el anillo
graduado 0,1 mm. o
0,001 pulgadas. La manivela de avance lateral: se
usa para mover la mesa en forma
longitudinal debajo de la
herramienta.
Eje roscado vertical: se utiliza para
subir o bajar la mesa
La mesa: está sujeta al puente y es
donde se fija la pieza que va a ser
maquinada.
El tornillo para regular la carrera:es el que ajusta la longitud de la
carrera que se necesita.
Tuerca candado del regulador de la
carrera: se usa para mantener el
mecanismo en una posición fija.
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 4/11
4
Figura 2. Ley de Hooke en su forma más intuitiva.
Operaciones:
Dejar caras de una pieza
totalmente planas.
Realizar trabajo de moleteado
Tema de Investigación: ¿Por qué lavelocidad de retroceso de la limadoraes el doble de la velocidad de avance?
Puesto que la velocidad es el camino
recorrido por unidad de tiempo, se calcula
la velocidad de la siguiente manera, con
unidad [m/min]:
=
1000 ∗ =
1000 ∗
Donde es la velocidad de avance y
es la velocidad de retroceso.
El objetivo del empresario es aumentar
las utilidades y disminuir los costos, por lo
tanto, en este caso lo más prudente es
disminuir los tiempos de maquinado lo
más posible, en otras palabras, aumentar la
velocidad de fabricación de las piezas, por
tal motivo, ya que el tiempo de retroceso
no es de provecho, hay que tratar de
disminuirlo, es decir, aumentar la
velocidad de retroceso para disminuir lostiempos de maquinado. El libro
“Herramientas, máquinas, trabajo” de
Walter Bartsch en la página 145 nos dice
que la velocidad de retroceso llega a ser
tres veces la velocidad de avance.
Dinamómetro:
El dinamómetro es un instrumento
utilizado para medir fuerzas o para pesar
objetos. El dinamómetro tradicional,inventado por Isaac Newton, basa su
funcionamiento en el estiramiento de
un resorte que sigue la ley de elasticidad
de Hooke en el rango de medición. Al igual
que una báscula con muelle elástico, es una
balanza de resorte, pero no debe
confundirse con una balanza de platillos
(instrumento utilizado para
comparar masas). El objetivo de este
instrumento es obtener una magnitud de
fuerza en función del desplazamiento
medido ocupando la ley de Hooke, por lo
tanto cualquier instrumento que ocupedicho principio para aproximar una fuerza
en función de un desplazamiento o
deflexión se le puede llamar dinamómetro.
Deflexión residual:
La diferencia entre el nivel original de
una superficie y su posición final, como
consecuencia de la aplicación y retiro de
una o más cargas en la superficie.
Regresión lineal:
Se define la recta de mejor ajuste lineal
como:
= +
Dónde a y b son parámetros de la recta
a corresponde a la intersección con el eje
vertical y b a la pendiente.
Las ecuaciones para los parámetros: a, b
son las siguientes:
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 5/11
5
Figura 3. Dinamómetro Tecquipment PE.1. Figura 4.Indicador de cuadrante.
Figura 5. Falsa herramienta. Figura 6. Plantilla de posición de la herramienta.
3. Experiencia
Objetivo: (valga la redundancia)
Demostrar el funcionamiento, montaje y calibración del dinamómetro.
Instrumentos y accesorios:
Dinamómetro “Tecquipment PE.1”
Indicador de cuadrante “Mercer”
Falsa herramienta
Plantilla de posición de la herramienta
Marco de carga y porta pesas
90 kg de pesas repartidas en discos de 10 y 5 kilogramos
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 6/11
6
Figura 7.Marco de carga. Figura 8.Pesas
Figura 9.Dinamómetro y marcador de cuadrante
montados en la limadora.
Procedimiento:
Montar el dinamómetro sobre la mesa de una limadora de modo que se pueda calibrarla componente vertical.
Ensamblar la falsa herramienta en la perforación cuadrada del dinamómetro fijándola
en su posición adecuada por medio de la plantilla.
Colocar el indicador de cuadrante en cero y el marco de carga sobre la falsa
herramienta por medio de una bolita de acero.
Cargar el dinamómetro por medio del porta pesas con incrementos de caga de 10
kilogramos, anotando la deflexión producida por los instrumentos de carga aplicados.
Repetir la lectura y anotaciones al descargar el dinamómetro.
Repetir el procedimiento para la componente horizontal, comprobando por medio de
un nivel la posición horizontal del dinamómetro.
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 7/11
7
Figura 10.Gráfico que relaciona la deflexión vertical
con las cargas sobre la falsa herramienta.
Resultados:
Masa [Kg] Peso [N]
Deflexión [µm]
Componente VerticalComponente
Horizontal
Carga Descarga Carga Descarga0 0,0 0 0 0 1
10 97,8 3 2 4 6
20 195,6 7 8 9 10
30 293,4 11 12 13 15
40 391,2 15 16 19 20
50 489,0 19 20 22 24
60 586,8 23 24 27 29
70 684,6 28 28 32 34
80 782,4 32 32 36 38
90 880,2 36 36 42 42
Tabla 1. Datos empíricos tomados de la experiencia
Gráficos obtenidos:
Se procede a graficar los resultados de las deflexiones verticales y horizontales en función
de las fuerzas ejercidas sobre la herramienta a través de las pesas.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Carga
Descarga
Componente VerticalPeso
[kg]
Deformación[µm]
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 8/11
8
Figura 11.Gráfico que relaciona la deflexión horizontal
con las cargas sobre la falsa herramienta.
Regresión lineal:
Para el caso del aumento de carga para la componente vertical se calcula la siguiente
recta:
Y = 0,4073x − 0,9273
ó
= 0,4073 ∗ − 0,9273
Para el caso de la descarga de pesas para la componente vertical se obtiene:
= 0,4085 − 0,5818
ó
= 0,4085 ∗ − 0,5818
>Gráficamente para la componente vertical se obtiene:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Carga
Descarga
Componente HorizontalPeso
[kg]
Deformación
[µm]
Peso [kg]
Deformación [µm]
Figura 12.Gráfico de la regresión lineal para los datos para la componente vertical de la carga.
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 9/11
9
Siendo la recta gris correspondiente a la carga de peso y la azul a la descarga.
Para el caso de la carga de pesas para la componente horizontal se obtiene:
= 0,4618 − 0,3818
ó = 0,4618 ∗ − 0,3818
Para el caso de la descarga de pesas para la componente horizontal se obtiene:
= 0,46 + 1,2
ó
= 0,46 ∗ + 1,2
>Gráficamente para la componente horizontal se obtiene:
Siendo la recta gris correspondiente a la descarga de peso y la azul a la carga.
Peso [kg]
Deformación [µm]
Figura 13.Gráfico de la regresión lineal para los datos
para la componente horizontal de la carga.
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 10/11
10
4. Análisis y discusión de los resultados
Según los datos medidos solo existe
deformación residual en la descarga de
pesos en la componente horizontal, por lotanto, para un caso real hay que tener en
cuenta el hecho de que cuando en la
limadora, la herramienta retroceda de
forma horizontal con respecto a la pieza,
existirá una desviación de orden de
micrómetros que podría ser despreciabledependiendo del grado de precisión
requerido para la pieza mecánica
terminada.
Se calculó también los errores para cada punto, error promedio y desviación estándar:
Peso
Deflexión [m]
Componente Vertical
Carga v. regresión % error Descarga v. regresión error
0 0,00E+00 -9,27E-07 0,0 0,00E+00 -5,82E-07 0,0
10 3,00E-06 3,15E-06 4,9 2,00E-06 3,50E-06 75,220 7,00E-06 7,22E-06 3,1 8,00E-06 7,59E-06 5,1
30 1,10E-05 1,13E-05 2,7 1,20E-05 1,17E-05 2,7
40 1,50E-05 1,54E-05 2,4 1,60E-05 1,58E-05 1,5
50 1,90E-05 1,94E-05 2,3 2,00E-05 1,98E-05 0,8
60 2,30E-05 2,35E-05 2,2 2,40E-05 2,39E-05 0,3
70 2,80E-05 2,76E-05 1,5 2,80E-05 2,80E-05 0,0
80 3,20E-05 3,17E-05 1,1 3,20E-05 3,21E-05 0,3
90 3,60E-05 3,57E-05 0,8 3,60E-05 3,62E-05 0,5
Tabla 2. Error entre datos
empíricos y regresión en la
componente vertical.
% error final 2,1 % error final 8,6
σ 1,4 σ 23,4
Peso
Deflexión [m]
Componente Horizontal
Carga v. regresión%
errorDescarga v. regresión
%error
0 0,00E+00 -4,82E-07 0,0 1,00E-06 1,20E-06 0,0
10 4,00E-06 4,14E-06 3,4 6,00E-06 5,80E-06 3,3
20 9,00E-06 8,75E-06 2,7 1,00E-05 1,04E-05 4,0
30 1,30E-05 1,34E-05 2,9 1,50E-05 1,50E-05 0,0
40 1,90E-05 1,80E-05 5,3 2,00E-05 1,96E-05 2,0
50 2,20E-05 2,26E-05 2,8 2,40E-05 2,42E-05 0,8
60 2,70E-05 2,72E-05 0,8 2,90E-05 2,88E-05 0,7
70 3,20E-05 3,18E-05 0,5 3,40E-05 3,34E-05 1,8
80 3,60E-05 3,65E-05 1,3 3,80E-05 3,80E-05 0,0
90 4,20E-05 4,11E-05 2,2 4,20E-05 4,26E-05 1,4
Tabla 3. Error entre datosempíricos y regresión en la
componente horizontal.
% error final 2,2 % error final 1,4
σ 1,6 σ 1,4
7/23/2019 EXP 1 - C.AngelV.
http://slidepdf.com/reader/full/exp-1-cangelv 11/11
11
Como se puede observar en las tablas
anteriores los resultados de error son:
Componente vertical en carga:
Error promedio: 2,1%
Desviación estándar: 1,4%
Componente vertical en descarga: Error promedio: 8,6%
Desviación estándar: 23,4%
Componente horizontal en carga:
Error promedio: 2,2%
Desviación estándar: 1,6%
Componente horizontal en
descarga:
Error promedio: 1,4%
Desviación estándar: 1,4%
El porcentaje de error entre los datos
empíricos y la regresión muestra el grado
de exactitud que se tendría al tratar de
predecir las cargas sobre la herramienta al
saber su desplazamiento con respecto a su
eje central.
Como es evidente, en la componente
vertical en descarga, el error y la
desviación estándar es relativamente
significativa, ya que la deformación medida
con un peso de 10 kg está bastante alejada
de la recta de regresión lineal, lo que
genera dos posibilidades: una, que almomento de medir la deformación, el
porta pesas haya estado oscilando
afectando de esta manera la medición. La
otra posibilidad es que haya habido un
error humano en la medición, es decir, que
las personas que tomamos aquel dato, no
lo hayamos visto claramente debido a la
mala visibilidad, poca luz, reflejo de la
cubierta del instrumento, etc.
En la limadora, al ser una máquina
herramienta de precisión, se debe tener en
cuenta las variaciones del desplazamiento
en función de la carga ejercida sobre la
herramienta de corte debido a que las
piezas fabricadas vienen con medidas
específicas que se deben cumplir.
5. Conclusión
En general se podría decir que la
regresión es el camino más apropiado parapredecir las cargas sobre la herramienta
pero con un pequeño grado de
incertidumbre debido a variaciones que
pueden tener origen en el entorno
inmediato a la limadora o por error
humano ya que es un método barato y
bastante aproximado para prevenir la falla
de la herramienta de corte por fractura al
ejercer sobre ella una fuerza excesiva. Una
mejora posible al sistema sería montar undinamómetro digital en tiempo real que
midiera las deformaciones y la carga sobre
la herramienta en el momento del
maquinado y las almacenara para luego
hacer un análisis de rendimiento para las
herramientas de corte para luego poder
decidir cuál es la más apropiada para cada
tarea.
6.
Bibliografía
Limadora: “Wikipedia: Limadora” - http://es.wikipedia.org/wiki/Limadora
Dinamómetro: “Wikipedia: Dinamómetro” - http://es.wikipedia.org/wiki/Dinam%C3%B3metro
Deflexión residual: “Glosario técnico – Deflexión residual” - http://glosario.registrocdt.cl/word/deflexion-residual
Regresión Lineal: “Wikipedia: Regresión lineal” - http://es.wikipedia.org/wiki/Regresi%C3%B3n_lineal
Mikell Grover, “Fundamentos de la manufactura moderna”.
Walter Bartsch, “Herramientas, máquinas, trabajo”.