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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 la fuerza 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 precisión es 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.

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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.

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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

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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.

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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:

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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

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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.

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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]

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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.

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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.

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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

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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”.