PROYECTO PROFESORAL DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA ENERGIA Y ALTA CAPACIDAD Directores del proyecto: HECTOR ENRIQUE JARAMILLO. MSc. NELLY CECILIA ALBA DE SANCHEZ. PhD. Asesores: HECTOR SANCHEZ STHEPA. PhD. Estudiantes: JORGE MARIO GRUESO C. DIEGO FERNANDO HERRERA M. UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE ENERGTICA Y MECNICA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BSICAS DE INGENIERA PROGRAMA INGENIERA MECNICA SANTIAGO DE CALI 2005 DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA ENERGA Y ALTA CAPACIDAD JORGE MARIO GRUESO CASTILLO DIEGO FERNANDO HERRERA MUOZ UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ENERGTICA Y MECNICA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERA MECNICA SANTIAGO DE CALI 2005 II DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA ENERGA Y ALTA CAPACIDAD JORGE MARIO GRUESO CASTILLO DIEGO FERNANDO HERRERA MUOZ Trabajo de grado para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico Directores Hctor Enrique Jaramillo Suarez, MSc.Departamento Energtica y Mecnica Nelly Cecilia Alba de Snchez, PhD. Departamento Ciencias Bsicas de Ingeniera Grupo Ciencia e Ingeniera de Materiales A Asesor: HECTOR SANCHEZ STHEPA. Dr. UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERA PROGRAMA INGENIERIA MECNICA SANTIAGO DE CALI 2005 CONTENIDO Pg. INTRODUCCIN11 1OBJETIVOS15 1.1OBJETIVO GENERAL15 1.2OBJETIVOS ESPECFICOS15 2PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA16 3CONCEPTOS GENERALES18 3.1PULVIMETALRGIA18 3.1.1. Procesos para la Produccin de Polvos Metlicos18 3.2ALEACIN MECNICA22 3.3POSTPROCESAMIENTO DE LOS POLVOS METALRGICOS DE ALEACIN26 3.3.1Proceso de Compactacin27 3.3.2Proceso de Sinterizado29 4MOLINOS DE BOLAS31 4.1TIPOS DE MOLINO32 4.1.1Molino Planetario33 4.1.2Molino Attritor37 4.1.3Molino Vibratorio40 4.2EVALUACIN DE LAS ALTERNATIVAS43 4.2.1Conclusiones44 5PROCESO DE DISEO45 2 5.1RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD45 5.2ESPECFICACIONES Y REQUERIMIENTOS47 5.2.1Capacidad del Molino47 5.2.2Por que Alta Energa?47 5.2.3Sistema de Tipo Funcional48 5.2.4Caractersticas del Movimiento Vibratorio48 5.3. ESTUDIO DE POSIBILIDADES48 5.4METODOLOGA DEL DISEO49 5.5DISEO PRELIMINAR Y DESARROLLO52 5.6DISEO DETALLADO52 5.6.1Sistema de Transmisin Planetaria53 5.6.2Sistema Planetario104 5.6.3Sistema Vibrogenerador136 6.PARTICIPACIONES EN EVENTOS Y PUBLICACIONES146 7.CONCLUSIONES148 BIBLIOGRAFA150 ANEXOS154 3 LISTA DE FIGURAS Pg. Figura 1. Atomizacin por Agua y Gas.19 Figura 2. Proceso de Electrolisis.21 Figura 3. Tcnica de Aleacin.22 Figura 4. Diferentes tipos de polvo (A) aleado mecnicamente, (B) Atomizado por Gas.25 Figura 5. Proceso de Compactacin de Doble Efecto de los Polvos Aleados.28 Figura 6. Proceso de Sinterizado.29 Figura 7. Mecanismos de Formacin de A.M.31 Figura 8. Molino Planetario. 34 Figura 9. Molino Planetario del Laboratorio de Mossbauer de la Universidad del Valle..35 Figura 10. Principio de Funcionamiento del Molino Planetario.36 Figura 11. Molino Tipo Attritor Horizontal.38 Figura 12. Molino Tipo Attritor Vertical.39 Figura 13. Molino Vibratorio.40 Figura 14. Motor de Vibro-Energa.41 Figura 15. Modelo Funcional del Molino50 Figura 16. Diseo Detallado de las Partes que Componen el Molino de Vibro-Energa.53 Figura 17. Sistema de Transmisin.54 Figura 18. Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario.56 Figura 19. Dimensiones de la Base Planetaria en mm.58 Figura 20. Diagrama de Fuerzas del Sistema de Molienda.58 4 Figura 21. Grafica torque de carga Vs Tiempo.61 Figura 22. Ensamble Acople Base Gua.65 Figura 23. Anlisis Columna por software.66 Figura 24. Acople Sistema de Transmisin.73 Figura 25. Dimensiones Generales de la Polea Transmisora en mm.75 Figura 26. Polea de Transmisin.75 Figura 27. Buje Estriado.76 Figura 28. Geometra y Dimensiones del Resorte Inferior en mm.90 Figura 29. Cargas que se Aplican al Soporte.92 Figura 30. Anlisis por Software de Algor.93 Figura 31. Anlisis del soporte Por software de Ansys 8.0.95 Figura 32. Anlisis Desplazamiento en la Componente Z.97 Figura 33. Deformacin Total de Soporte.98 Figura 34. Explosionado Caja de Rodamientos Lineales.98 Figura 35. Acople Caja de Rodamientos Lineales a Soporte.99 Figura 36. Acople Eje Estriado100 Figura 37. Dimensiones del Acople de Eje Estriado en mm.101 Figura 38. Principales Componentes del Sistema Planetario.105 Figura 39. Eje Principal.107 Figura 40. Geometra y Dimensiones del Eje Principal en mm.110 Figura 41. Diagrama de Fuerzas que Actan en el Eje Principal.111 Figura 42. Diagramas de Fuerzas Cortantes, Momento Flector y Momento Torsor.112 Figura 43. Geometra de Polea Base Dimensiones en mm.121 Figura 44. Geometra del Soporte Planetario.122 Figura 45. Anlisis de la Base Planetaria desarrollado mediante Software Algor.123 5 Figura 46. Anlisis del Desplazamiento en la Componente Z porAlgor.124 Figura 47. Horquilla Vista de Corte Dimensiones en mm.126 Figura 48. Ensamble Cajas de Rodamientos del Sistema Planetario.127 Figura 49. Eje del Sistema de Molienda Planetario.128 Figura 50. Portajarra de Molienda.129 Figura 51. Vista Frontal y Dimensiones del Portajarras en mm.129 Figura 52. Modelo Dinmico en Ansys.131 Figura 53. Recipiente de Molienda.132 Figura 54. Jarra Dimensionada en mm132 Figura 55. Tapa Jarra.133 Figura 56. Vista Lateral de la Tapa Dimensiones en mm134 Figura 57. Dimensiones de la Polea Planetaria en mm.135 Figura 58. Accesorios de Seguridad de Jarras.136 Figura 59. Componentes Principales del Sistema de Vibracin.137 Figura 60. Motor de vibracin.139 Figura 61. Complemento casquillo separador de movimiento.140 Figura 62. Vista de corte del acople horquilla.141 Figura 63. Eje acople aislante Dimensiones en mm.142 Figura 64. Acople del subconjunto de Pieza Excntrica.143 Figura 65. Pieza Excntrica Dimensiones en mm.143 Figura 66. Ensamble Barra y Rotula, Dimensiones en mm.144 6 LISTA DE TABLAS Pg. Tabla 1. Cuadro Comparativo de caractersticas de diferentes Molinos. 43 Tabla 2. Piezas que Componen el Sistema de Transmisin.55 Tabla 3. Lista de Piezas Comerciales del Sistema de Transmisin.55 Tabla 4. Clculos requeridos para la Seleccin del motor.60 Tabla 5. Caractersticas Tcnicas del Motor Seleccionado Para Movimiento Planetario.63 Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Variador.64 Tabla 7. Propiedades del perfil.67 Tabla 8. Caractersticas de la Columna.67 Tabla 9. Composicin Qumica del Material Seleccionado para la Construccin de la Viga.70 Tabla 10. Ficha Tcnica de la Pieza que se Analiz por Pandeo71 Tabla 11. Caractersticas del Resorte.79 Tabla 12. Coeficiente y Exponentes para el Clculo de la Resistencia del Alambre.82 Tabla 13. Seleccin del Resorte Inferior y Superior.91 Tabla 14. Propiedades del Material Utilizado para Anlisis de Soporte.94 Tabla 15. Propiedades del Material Utilizado en el Anlisis del Soporte en Ansys.96 Tabla 16. Coeficientes que Dependen del Material de Trabajo.102 Tabla 17. Condiciones de Carga para Optimizar el Funcionamiento.102 Tabla 18. Perfiles Acanalados con Apoyo Amplio Centrado por los Flancos UNI 223.103 7 Tabla 19. Piezas que Componen el Sistema Planetario.106 Tabla 20. Accesorios de Fijacin y Elementos Rodantes del Sistema Planetario.106 Tabla 21. Resultados de los Anlisis de las Cargas sobre el Eje.112 Tabla 22. Principales Componentes del Sistema Generador de la Vibracin137 Tabla 23. Elementos Rodantes y Piezas Comerciales del Sistema de Vibracin138 Tabla 24. Propiedades, Resultados y Caractersticas del Material a Analizar.145 8 LISTA DE ANEXOS AnexoA:Curvasdecondicincontraelpandeocrticopararesortesy Diversasdimensionesdeunresortehelicoidaldecompresinenetapa de trabajo. ANEXO B: Cotizaciones ANEXO C: Calculo vida til de los rodamientos. ANEXO D: Modelado dinmico general del sistema. ANEXO E Modelado dinmico del sistema de molienda. ANEXO F: Modelado dinmico del aislamiento del sistema vibratorio. ANEXO G: Planos del Molino de Bolas. 9 RESUMEN Estedocumentocontieneelprocesodetalladodeldiseodeunmolino dealtaenerga,quecombinaelmovimientoplanetarioyvibratorio conferidoarecipientes,quecontienenmaterialesenpolvo,para utilizarlosenlaproduccindealeacionesymaterialescompuestos.Se esperaquelacombinacindedosmovimientos,produzcalasuficiente energaporlacantidaddemovimiento,queselepuedeimprimiralos elementosmoledores.Ademselmolinoesdealtacapacidadporla cantidaddemasaquesepuedellegaramolerenunasolatanda, comparadaconlacapacidaddelosmolinoscomercialespara laboratorios.Ensudiseoseconsiderarondosprincipiosbsicosque son,movimientocentrfugoymovimientoaxialvibratoriodelos recipientesquecontienenlospolvos,dondelacombinacindelosdos movimientosgarantizaaceleracionesinducidassobreloscuerpos moledoressuperioresaseis(6)veceslagravedadyasuvez propiedadesexcepcionalesenlaaleacinmecnicafinal,comparadas con las obtenidas por el proceso normal de metalurgia de polvos. Serealizeldiseoconceptualdetodoslosmecanismosypartesque componen el molino, as como la simulacin de la dinmica del conjunto yelanlisisestructuraldeloscomponentesesenciales.Duranteel proceso de diseo se soport el trabajo con software especializado, as, porejemplo,paraelmodeladodelaspiezasyelconjuntoseutilizel 10 SolidEdge;paraelanlisisestructuralseutilizelsoftwareAlgory Ansys,paralasimulacindinmicaseusoelWorkingModel.La utilizacin de estas herramientas computacionales se aplic con criterios de diseo de Ingeniera Inversa. 11 INTRODUCCIN Ha sido de vital inters a lo largo de la evolucin de los materiales, que sus propiedades sean autosuficientes a la hora de ser exigidos en cada una de las aplicaciones prcticas donde son utilizados, especialmente en cuantoacombinacindeesfuerzosserefiere.Losprocesosde mejoramiento de elementos de mquinas se han visto estancados en su granmayora,noporlaformulacindeenunciadosquedescribansus respuestasaelevadasexigenciassinoporlatardaconsecucinde materiales que soporten altas cargas a altas temperaturas, con tamaos nominales reducidos y que conserven los factores de seguridad. Losmaterialescompuestossonunaalternativaparasuplirtales exigencias y su produccin a travs de los procesos pulvimetalrgicos y sus novedosas variaciones hacen que se orienten las investigaciones no solamentehaciasuobtencinsinohaciasuproduccin,porquese reconocelainfluenciadelprocesoproductivoenlaspropiedadesdel material. Elenfoqueenlapulvimetalrgiasebasaenlaaleacinmecnica (A.M), cuyo principal atractivo radica en que la aleacin se produce en estado slido y genera configuraciones con estructuras desde materiales muy finos hasta nanoestructurados y desde materiales cristalinos hasta losamorfosqueayudanamejorarlatenacidadenelmaterialfinalo aleado. 12 Paraexplicarunpocoesteprocesosedebeimaginarcantidades especficas de material en forma de polvos, con un tamao entre 200m y300m,queseconstituyeenlamateriabase;cuerposmoledoreso bolasdeaceroespecialesquesernlosagentestransmisoresdela energa para consolidar la aleacin, todos estos elementos confinados en un recipiente al vacio o con una atmsfera inerte que reciben la energa motriz. La energa rotacional entregada al recipiente se transmite rpidamente a los cuerpos moledores que la transforman en energa de impacto que a su vez ser entregada por estos al material base, el continuo choque del materialconlasbolas,bolas-bolasybolas-recipientehacenque constantemente el material est sometido a fractura y soldadura lo que configuraelmecanismoporelcualelmaterialbasegeneralaAleacin Mecnica A.M. Los conceptos bsicos de este y otros procesos asociados se presentarn en los captulos siguientes profundizando su rigurosidad terica. Paraeldesarrollodelproyectosetrazcomoobjetivoprincipal,quela produccin de material final aleado debera superar la cantidad obtenida pormolinosdecaractersticassimilares,yaquesuaplicacinaunque seraniveldelaboratoriodebegarantizarlaposibilidaddeobtener piezascompactadasconaleacinmecnicaparaserevaluadascomo elementosmecnicos.Laestabilidad,viabilidaddeconstruccincon recursosdelareginybajocostoasociado,tambinseconviertenen variables a tener en cuenta durante todo el proceso del diseo. 13 En el capitulo dos 2 se plantea el problema a resolver. El capitulo tres 3 sededicaaintroducirlosconceptosbsicosdelosprocesos pulvimetalrgicos. Enelcaptulocuatro4seplanteanlascaractersticasdelosdiferentes tiposdemolinosparalaproduccindealeacionesqueexistenenel comercio,sehaceunabrevedescripcindecadatipoenunciando ventajasydesventajas,capacidades,etc.Conestosconocimientos,se selecciona el prototipo a construir, se hace un anlisis de alternativas y seajustanloscambiosnecesarioscomoson,dimensionaryredisear laspiezasquecumplanconlasexigenciasparalaconstruccindel equipo,lasdisposicionesfinalesacordealosrequerimientosdadosy consideraciones de consecucin local de los elementos y sus costos. Enelcapitulo5sepresentaelprocesodediseo,detallandocadauno de los componentes; su funcin, estructura y en lo posible se consignan losclculosdecadaunodelosmecanismosimportantesquesehan implementado en el desarrollo de este proyecto. LasherramientascomputacionaleslaspautasdediseodeIngeniera Inversa y Quality Function Deployment (QFD) han servido para guiar el diseo, dimensionamiento de las piezas, el material de las mismas. Paraelanlisis,elequiposehadivididoensistemasdiferentes facilitandoelmodeladoyporconsecuenciaelensamble(conlaayuda del software) que como un todo, combina los movimientos de rotacin y vibracin. 14 Estainiciativasetrabajenelmarcodeliniciodeunanuevalneade investigacin en la Universidad Autnoma de Occidente, en conjunto conlaUniversidaddelValle,UniversidadSantiagodeCaliy Conciencias1 a travs del Grupo Ciencia e Ingeniera de Materiales (GCIM),debidoaquelametalurgiadepolvosseproyectacomouna tcnica novedosa y al alcance de nuestro medio. 1EstedocumentoesresultadodeltrabajorealizadoenelproyectotituladoSINTESISY CARACTERIZACIONDENUEVOSMATERIALESUTILIZANDOTECNOLOGIADEPOLVOS aprobadoporCOLCIENCIASmediantecontratoNo427-2003,yporlaVicerrectoradeInvestigacionesy DesarrolloTecnolgicodeLaUniversidadAutnomadeOccidenteconResolucinNo6240delConsejo Acadmico.15 1OBJETIVOS 1.1OBJETIVO GENERAL Disear un molino de alta energa y alta capacidad para la produccin de AleacinMecnica,cuyoproductofinalestentre 1500y 2000gramos de polvos aleados. 1.2OBJETIVOS ESPECFICOS Seleccionareltipodemolinoadisearquecumplaconlas especificaciones del objetivo general. Realizarlaseleccindemateriales,accesoriosyelementosde mquina necesarios para la construccin del sistema. Seleccionarlacapacidadnominaldelmolinoteniendoencuenta todas las variables que intervienen en este proceso. Disearjarrasotazonesdemoliendaparacumplirconel requerimiento. Seleccionarrelacionesapropiadasentrematerialymedios moledores para la capacidad del molino. Simulareldesempeodelsistemautilizandosoftwaredisponible enlaUniversidadAutnomadeOccidente(UAO),Solid-Edge,Solid Work, Working Model, Ansys y Algor. Seleccionarvelocidadesdetrabajoyrelacionesdetransmisin para el sistema. Seleccionar motor(es) para la generacin de movimiento. 16 2PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La inversin que debe hacerse en nuestros pases latinoamericanos para adquirir equipos de tecnologa es alta, pero la idea de estos mercados es sercompetitivosconlalitemundial,partiendodelageneracinde tecnologaequivalenteconelementosquesepuedenconseguirenel entorno. PorestaraznlaUniversidadAutnomadeOccidente,elGrupode InvestigacinCienciaeIngenieradeMaterialesenconvenioconla UniversidaddelValleylaUniversidadSantiagodeCalisehanunido parafortalecerlainvestigacinpresentandounproyectonuevoe innovador,basadoenlaconstruccindeunmolinopulvimetalrgico paralaproduccindematerialescompuestosmediantelatcnicade aleamientomecnico,elproyectoqueserealizapretendeaportarun equipo sencillo y de fcil escalamiento a nivel industrial. EnnuestropasColombianoexisteunalneadeproduccinde materialesdetiponanopartculadoaunaescalaquepermitala obtencin de piezas mecnicas a partir de los mismos. 17 Pormediodetcnicasyprocesospulvimetalrgicos,apoyadosen experienciasdelneasdeinvestigacinenmaterialestantonacionales comoextranjeras,setienelacertezaquesepuedenobtenernuevosy mejoresmaterialesaplicandoestosprocedimientos,ademsde encontrarsequemuchosdelosequiposutilizadosparatalfinpueden construirse con elementos comerciales. Esah,dondeseencuentraunaoportunidadparalaviabilidaddeeste proyectoynaceelintersenelestudiodenuevosmateriales, motivandoademslaaperturadenuevaslneasdeinvestigacinenla Universidad Autnoma de Occidente y en la regin. ElprocesodeA.M.requierelaaplicacindegrancantidaddeenerga parainducirlacombinacinhomogneadematerial,dedondese desprendeeltrminoAltaEnergaylaobtencindelacantidadde material final se denomina Capacidad. Teniendo en cuenta lo anterior seplantealaCONSTRUCCINDEUNMOLINODEBOLASDEALTA ENERGAYALTACAPACIDADensntesisserequiereunsistema mecnico eficiente, con una baja inversin econmica, capaz de producir A.M.encantidadesquesuperenlaproduccinaniveldelaboratorioy totalmenteensambladoconpiezasquesepuedenadquirirenla industria del Valle del Cauca. 18 3CONCEPTOS GENERALES 3.1PULVIMETALRGIA Histricamente,lasaleacionessepreparabanmezclandolosmateriales fundidos,recientemente,lapulvimetalrgiahaalcanzadogran importanciaenlapreparacindealeacionesconcaractersticas especiales.Enesteproceso,sepreparanlasaleacionesmezclandolos materialessecosenpolvo,prensndolosrelativamenteaaltapresiny calentndolosdespusatemperaturasjustopordebajodesuspuntos defusin,estetipodematerialobtenidoesmuyutilizadoparala fabricacin de piezas pequeas en gran cantidad. Esta prctica aparece por necesidad tecnolgica, adems es un proceso econmico, ya que existe diversidad de procesos y equipos, para reducir los materiales a polvos, que resultan ser de fcil aplicacin y fabricacin. 3.1.1. Procesos para la Produccin de Polvos Metlicos Eltamaoadecuadodelaspartculasdepolvoesdelordendeunoa varios cientos de micrmetros, la mayora de los polvos se fabrican por fragmentacin de un metal fundido, como ocurre en la atomizacin, en laquecolisionancorrientesdelmetalconchorrosdeaguaogas estrechos. 19 Otrospolvosseobtienenmoliendootriturandodealgunaformatrozos demetal.Tambinpuedenproducirsequmicamente,reduciendoa metalxidosenpolvooprecipitandopartculasmetlicasenuna solucin acuosa. 3.1.1.1Por Atomizacin: En la Figura 1 se muestra el proceso, el sistemaconstadeuncompartimientoenlapartesuperiordondeel metalfundidoesdepositado,pormediodeunductopasaauna segunda cmara donde se apreciaque se inyecta por loscostados un fluido,generalmenteaguaungasnoble,quecausanunchoque trmicobastanteelevadoentrefluidoymetaloriginandounrpido enfriamientoylaformacindepolvosmetlicosquesondepositados en la parte inferior del tazn. Figura 1. Atomizacin por Agua y Gas. Cuandolaatomizacinserealizaporagualomsprobablequeocurra es que el polvo se oxide, por lo tanto debe hacerse un tratamiento para 20 evitarominimizaresteefecto,lospolvosalentrarencontactoconel fluidoseenfranrpidamenteproducindoseestructurasmuyfinas, fuera del equilibrio. Si el fluido es un gas noble la oxidacin es mnima y los polvos toman formas esfricas. 3.1.1.2Reduccin Qumica: Esteproceso es el msutilizadopara laproduccindepolvodehierro.Lamateriaprimaseleccionadaes aplastada,mezcladaconcarbnypasadaporunhornocontinuoen dondereacciona.Bsicamenteconsisteensometerelmaterialala accindesucesivosataquesqumicos,generandomecanismosde oxidacinyreduccinloquedejaunaespeciedetortaesponjadade hierro.Despusseaplastanuevamente,seseparanlosmaterialesno metlicos y se tamiza para producir el polvo. Debido a que no se hace ningunarefinacin,lapurezadelpolvoestotalmentedependientede la pureza de la materia prima. 3.1.1.3Electrolisis: Escogiendo las condiciones apropiadas posicin y fuerza del electrolito, corriente, densidad, temperatura, etc., muchos metalespuedenconvertirseenpolvosmetlicos.Laelectrlisisesla produccin de una reaccin redox no espontnea, mediante el paso de una corriente elctrica. Es por lo tanto el proceso inverso al que ocurre en una pila elctrica, y se lleva a cabo en un contenedor llamado cuba electroltica. 21 Figura 2. Proceso de Electrolisis.2 Esteprocesopuederequerirdeotrosprocesoscomosecado,aleado, lavado,etc.,paralograrlaspropiedadesdeseadas.Seusaporlo generalparaproducirpolvodeCobre,perotambinsepuedeutilizar para la produccin de polvo de Cromo y Manganeso. Dos de las mayores cualidadesdeesteprocesosonlaaltapurezaylaaltadensidad alcanzada en los polvos. La principal bondad de este mtodo es que no es necesario aumentar la temperaturaparaquelareaccintengalugar,evitndoseprdidas energticasyreaccionessecundarias.Industrialmenteesunodelos procesosmsempleadosendiferentesreas,comolaobtencinde elementosapartirdecompuestoscomocloro,hidrgeno,oxgeno,la purificacindemetales,elmineralmetlicosedisuelveencido, 2 [Wikipedia la Enciclopedia Libre], [Citado: 13-06-2005]. Disponible en Internet: http:// http:// http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolisis 22 obtenindoseporelectrlisiselmetalpuroolarealizacinde recubrimientos metlicos protectores. 3.2ALEACIN MECNICA La A.M. es una tcnica novedosa de procesamiento en estado slido que permite producir aleaciones a partir de la mezcla de polvos elementales opolvosprealeados.Esteprocesosellevaacaboenmolinosdealta energa por lo general de bolas. Figura 3. Tcnica de Aleacin. (A) (B) (C) LaA.M.partedepolvoselementalesFigura3(A)queseintroducenen mquinaspulverizadoras,dondesetienenmediosmoledoresFigura 3(B)generalmentebolasdeaceroqueinvolucranlarepetida deformacin, fractura y soldadura continua de partculas al estar sujetas aunamoliendaconstante,ademsdeinyectarsegasinertedentrodel contenedor Figura 3(C). A partir de este proceso se obtienen materiales Contenedor Medios Moledores Gases de Proteccin 23 avanzados,conmejorespropiedadesmecnicasdebidoalenfriamiento micro estructural a que son llevados los polvos de elementos metlicos, nometlicoocompuesto.Porestatcnicaseobtienenaleacionesen estadoslido,porlotantoparaqueseproduzcaunabuenaaleacin mecnicadebehaberunaentradadeenergadeimpactoalta,entre materiales y medios moledores. El proceso de A.M. fue desarrollado alrededor de 1966 por el laboratorio deinvestigacionesINCOsPaulD.Merica3,paraproduciruna dispersin de xidos en superaleaciones a base hierro y nquel con el fin deaumentarsuresistenciamecnicaaaltastemperaturas.Paraello Jhon Benjamin y sus colaboradores emplearon un proceso energtico de molienda;elmaterialasproducidoseutilizporprimeravez,enla fabricacin de alabes de turbinas a gas, obteniendo buenos resultados. ElA.M.tieneunobjetivonetamenteprctico,producirpolvosde aleaciones complejas (superaleaciones) a base Nquel, que al combinarla conunrefuerzopordispersindeoxidoprodujeraunendurecimiento por precipitacin. Aunque en 1976 ya se haban dado a conocer evidencias experimentales quelaaleacinseproducaanivelatmicoyconellolaposibilidadde formarciertosmaterialesmetlicosconpropiedadesnicas,lamayora delasinvestigacionesbsicassobreelprocesosiguiconcentradapor muchosaosenlasaleacionesreforzadaspordispersindexidosva A.M. 3 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg. 1 24 El inters generalizado en torno a este proceso, se inicio a comienzos de losaos80,ellofuemotivadoengranparteporeldescubrimientode queatravsdeestatcnicasepodanobteneraleacionesamorfasa partir de una mezcla de polvos elementales. Otro incentivo para ello, fue la necesidad creciente de producir compuestos ntermetlicos, as como otrasaleacionesqueresultabandifcilesdeproducirpormtodos convencionales.Porultimo,elA.Mesunprocesoposibledeser adaptado a escala industrial para la produccin de aleaciones en polvo. Durante estas dos ltimas dcadas se han producido por medio de esta tcnica,unagranvariedaddealeacionesdepolvo,talescomo soluciones slidas extendidas, fases amorfas, compuestos ntermetlicos y cuasicristales. Adems, se han desarrollado diversas aplicaciones entre las principales se tiene la induccin en reacciones qumicas, que a su vez influyen el proceso mismo y el producto final. Porello,noesdeextraarquelasaplicacionesdelA.Msehayan extendidoenlaactualidadalprocesamientodematerialescermicosy polmeros,graciasalosnumerosostrabajos4dedicadosamodelarel procesodemolienda,seconocenlosdistintosparmetroscomola energaqueentregaelmolino,numerodebolasymaterial,tiposde impactoquesepresentanenelcontenedor,etc.utilizadosenla eficiencia del proceso. Los esfuerzos por explicar la formacin de fases por medio del A.M, no han tenido la misma suerte. Diversos modelos han sido propuestos para 4 CHATTOPADHYAY, P. P.; MANNA, I.; TALAPATRA, S.; PABI, S. K. A mathematical analysis of milling mechanics in a planetary ball mill. Publishers 2001; Paper 68. 25 ello,peronoexistenanunadescripcinmicroscpicanicaque expliquetodoslosfenmenosobservadosexperimentalmente.Sin embargo,recientesevidenciasexperimentalesfavorecenaunmodelo basado en la cintica de las dislocaciones y en los procesos difusivos a lo largo de sus ncleos. Figura 4. Diferentes tipos de polvo (A) aleado mecnicamente, (B) Atomizado por Gas.5

EnlaFigura4semuestraladiferenciaentreelaleadomecnicoyla atomizacindelospolvospormediodegas,enlaFigura4(A)la deformacinqueseproduceporelimpactodelpolvoconlosmedios moledores hace que tanto la superficie como el ncleo estn compactos entre si y su estructura irregular. Mientras por el atomizado en la Figura 4(B)semuestraunageometraesfricahomogneaentodala superficie, pero dada la operacin del equipo la compactacin no es muy resistente.Elpolvoaleadomecnicamente,puedesermoldeadoy tratadotrmicamenteparaproducirpiezastiles,obien,puedeser usado como recubrimiento, catalizador o conductor. 5 RUIZ, D. La Aleacin Mecnica como Tcnica de Obtencin de Materiales Avanzados. Ciudad de Cali-Universidad del Valle, ao 2004. 26 DentrodeldesarrollodelproyectoseencontrqueenChile,enla Universidad Santiago de Chile, en el Departamento de Fsica se trabaja enA.M,dondeexisteunprogramaofrecidoasusestudiantessobreel tema,seinvestigasobresuperaleaciones,solucionesslidas, compuestosintermetlicos,amorfos,solucionesslidasextendidas, materialesmagnticosysuperconductores,graciasaldesarrollodelos molinos de bolas de alta energa pero a diferencia del propuesto en este trabajo son de baja capacidad a nivel de laboratorio. En Colombia, la Universidad Industrial de Santander (UIS), se encuentra desarrollando un modelo experimental de molino de alta energa de tipo Attritor con la colaboracin del Dr.lvaro San Martnde la Universidad Santiago de Chile, y algunos contactos con la Universidad del Valle. Asmismo,elDepartamentodeMaterialesCompuestosdela UniversidaddelValleunadelasInstitucionesquemstrabajosha realizadoenlaregindelValledelCaucasobreestetipode procedimiento, cuenta con un molino tipo planetario de alta energa pero de baja capacidad, para muestras entre 300 gr. y 400 gr. 3.3POSTPROCESAMIENTO DE LOS POLVOS METALRGICOS DE ALEACIN Despusdeobtenidoslospolvosmetalrgicos,sonextradosaun compartimientodondeseanalizansuspropiedadesconequipos especializadosparacaracterizarmateriales,estosporlogeneralse realizan por difraccin de rayos X, y microscopia electrnica de barrido. 27 Lacaracterizacinpormicroscopiaelectrnicadebarridopermite analizarlamorfologaydeterminarcomposicinqumicadelospolvos, la estructura cristalina y la orientacin de los granos del metal se realiza mediantedifraccinderayosx.Conesteprocedimiento,sepuede identificar,descubrirlasposiblesimpurezasycomprobarlaeficaciade lospolvospararealizartratamientostrmicos.Estaspruebassehacen conelobjetivodeobteneryverificaralgunasdelaspropiedades mecnicas de la aleacin. La difraccin de rayos X, consiste en pasar un haz de luz a travs de un espcimendeunasustanciacristalina,dondeseobtienenciertos patrones que pueden interpretarse para determinar la estructura interna de los cristales. 3.3.1 Proceso de Compactacin Consisteenllevarlospolvosaunrecipientellamadomatriz,dondese introducen a presin, por lo general en fro, con la forma apropiada para formar una pastilla cohesionada, esta matriz tiene la forma de la pieza y debe agregrsele aglutinantes, en el caso del compactado se usa aceite lubricado en grafito, para evitar la corrosin, adems no permite que los polvosseadhieranalasparedesdelamisma,haciendomsfcilla extraccin del compartimiento, sin perdidas de geometra. Lospolvostomanlaformadelamatrizacausadelaprisionamiento inducido por uno o dos pistones que pueden ser accionados neumtica o 28 manualmente,elobjetivoprincipalesevitarespaciosparaqueel material quede completamente compactado. Figura 5. Proceso de Compactacin de Doble Efecto de los Polvos Aleados.

El proceso de compactacin inicia con la alimentacin del polvo metlico hacialamatriz,esteesconducidoporunpatndedescargaFiguras 5(AyB);eneldepsitoseencuentraunoodospunzonesqueson accionadospormquinashidrulicasoneumticas,Figuras5(CyD) estosaplicanunapresinconstante.Despusdeejecutadaestaaccin elpunzninferiorempujaelcompactadoFigura5(E)yserepiteel proceso para la produccin de otras piezas. Laspropiedadesdelcompactoenverde,sonbajasnoesresistentea cargasyesnecesariosometerloaotroprocesoqueesllamado sinterizado. 29 3.3.2 Proceso de Sinterizado Este proceso se ejecuta despus de la compactacin de la pieza; sta se coloca en un horno con atmsfera controlada para evitar la corrosin del material,alelevarlatemperatura.Conesteprocesosecreanfuertes enlacesentrelaspartculasmetlicas;lasdimensiones,densidady propiedadesmecnicassepuedenmodificarmedianteprocesos adicionales. Lasinterizacinseprefiereaotrosmtodosdefabricacincomoel fundido ya que no necesita un mecanizado que es costoso como ocurre enelcasodepiezasmecnicaspequeasocuandoalproductosele exigeunacalidadquesloseobtienesisefabricaapartirdepolvos comoocurreconlasherramientasdecarburo,loscojinetesporososo los filtros. Figura 6. Proceso de Sinterizado6. 6 [Shin-Etsu Rare Herat Magnets], Shin-EtsuChemical Co., Ltd. [Citado 13-06-2005]. Disponible en Internet: http://www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp/e/masspro/index.shtml 30 En la Figura 6 se muestra el compacto en verde que se introduce en un hornodeatmsferacontrolada,enlaparteexteriorsedetallael mecanismo deinyeccin de gas inerte, el controldel horno se coloca a unatemperaturapordebajodelpuntodefusindelmaterial mayoritario. Con este proceso se tienen piezas pequeas como piones, bielas y dispositivos utilizados en la industria aeronutica y automotriz. 31 4MOLINOS DE BOLAS PorlogenerallaA.M.seproduceendispositivosdondeseinduceuna fuerzadeimpactoofriccinaunmaterial,paragenerarlaenerga necesaria para consolidar la aleacin. La mezcla es introducida en un molino de bolas, donde las partculas de polvo al estar sujetas a choques se deforman, se rompen se comprimen unasconotras,hastacuandoformanunamasadesoldaduraentre estas mezclas, obteniendo A.M. Figura 7. Mecanismos de Formacin de A.M. (a) (b) (c) (d) (e) 32 EnlasFiguras7semuestraladisposicindelosmecanismospara obtenerlaaleacinmecnica,elrecipientecontendrpolvosaaleary mediosmoledores,estosseencuentranconfinadosendeatmsferade gasinerteparaevitarlaoxidacinFigura7(a),esteconjuntose introduce a un mecanismo que se encargara de entregar la energa para producirlaaleacinFigura7(byc),despussonretiradoslospolvos aleados y las bolas, esta se hace en una atmsfera limpia y controlada Figura 7(d y e). 4.1TIPOS DE MOLINO Enlassiguienteslneassedetallanlostiposdemolinos7queenla actualidadseutilizanparalaobtencindeA.M.,mencionandosus principales ventajas y desventajas con el objeto de justificar la seleccin del equipo que se construir. ElprocesodeA.M.esproducidopordiferentesaparatosodispositivos algunosdelosmsreconocidossonlosmolinosAttritor,molinos planetarios, molinode vibro energa, pero todos con la misma finalidad producir aleacin mecnica. 7 SURYANARAYANA, C. Mechanical Alloying and Milling, Department of Metallurgical and Engineering. 33 4.1.1 Molino Planetario Estetipodemolinoesampliamenteutilizadoparalaproduccinde polvos aleados y son generalmente fabricados en Europa.8 Por lo general sondealtaenergaytienencuerposmoledoresesfricos,poseen normalmenteentre2y4jarras,verFigura8,dondesedepositael materialapulverizar,laaleacinsedaporimpacto,agotamientoo accin combinada. Lafuerzacentrfugaproducidaporlarotacindelosrecipientesde moliendaestnsoportadosporundiscorotatorioyunmecanismo especialhacequeellosgirenalrededordesuspropiosejes.Enestos recipientesseencuentranlosmaterialesaalearquegiranatravsde un eje central, las bolas contenidas en los tazones ruedan alrededor de sus paredes, por impacto entre medios moledores y material a alear se produce la A.M. Losmolinosdeestetiposecaracterizanporentregaraltaenergade impacto9,tiemposdemoliendacortosdebidoalaaltafrecuenciade impactoquecausaunincrementorpidodelatemperatura, generalmente es el ms utilizado para producir aleacin. 8 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 11-13 9SCHILZ, J. RIFFEL, M. PIXIUS, K. MEYER, H, J. Synthesis of Thermoelectric Materials by Mechanical Alloying in Planetary Ball Mills. Publishers 1999, paper 105, Pg 150. 34 Cabedestacarquecuandosetratadetransmitiraltaenergade impacto,bajounsistemamecnicodemedianasencillez,estese convierte en la primera opcin para generarlo. DeacuerdoaloplanteadoporLiLuyMan10,enexperimentosqueha realizado en diferentes molinos se ha estimado que la alta frecuencia de impactoqueexperimentanlosplanetariosproducetemperaturadel orden de 393K y se alcanza durante una molienda de 30 a 60 minutos. Figura 8. Molino Planetario. 11 EnlasFigura8semuestraunmolinopulverizadorde2jarrasysus respectivosaccesoriosdeseguridad,enestetipodemolinosepueden 10MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 12-13. 11[Equipaments del Grup de Recerca en Materials], [ Citado 13-06-2005], Disponible en Internet: http://copernic.udg.es/GRM/equipament/moli-boles.jpg35 combinardiferentesmaterialescomozirconio,Cr-Niacero,carburosde tungsteno, y algunos plsticos.12 Figura9.MolinoPlanetariodelLaboratoriodeMssbauerdela Universidad del Valle.13. EnlaFigura9semuestraelmolinoplanetarioadquiridoporla UniversidaddelValle,quetienelassiguientesespecificaciones:el tamaodelgranomximoaintroducirenunmolinodeestas caractersticasesde10m,elvolumendelajarrasdemoliendaes aproximadamente800a500ml.Eldimetrodelasbolasestnenel ordende10y30mm,laenergadeimpactodeunmolinodeestas caractersticasaniveldelaboratorioes40veceslaaceleracindela gravedad. El dimetro final de material a procesar terminada la etapa de molienda es del orden de unos cuantos micrometros. 12 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, paper 46, Pg. 15 13Molino planetario. Universidad del Valle. Departamento de Fsica36 Figura 10. Principio de Funcionamiento del Molino Planetario.14 En la Figura 10 se muestra el funcionamiento por medio de engranajes deunmolinotipoplanetario,consisteenlaentradadeunaenerga motriz que se transmite del motor al eje central, que es el encargado de transmitir esa rotacin a los dems sistemas. Entre sus ventajas se encuentran: Fcil carga y descarga del material. El movimiento planetario es fcil de generar. Velocidades de impacto altas. Algunas de las desventajas en este molino son: Desgastedelasparedesdelosrecipientesdemoliendaybolas, causadoenocasionescuandosetienenvelocidadesderotacinaltas, las bolas ganan velocidad de rotacin pero pierden energa de impacto, 14 [ Wikipedia The Free Encyclopedia], [Citado 13-06-2005], Disponible en Internet: http://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing 37 lo que causa que las bolas giren en una sola pista del recipiente y por lo tanto el contenedor sufre un desgaste es esta zona. Lasvelocidadesdeimpactoelevadasdesgastanlasbolasloque produce una contaminacin de los materiales que se estn aleando. Enocasionescuandonosetieneuncontroldelavelocidaddel contenedor los medios moledores se quedan girando en la periferia de la jarra, afectando la consolidacin de la aleacin. 4.1.2Molino Attritor Deestetiposepuedenencontrardosopciones,deejehorizontalyde eje vertical ver Figuras 11 y 12. Estos molinos cuentan con una cmara de molienda donde se depositan tanto material como medios moledores, estosseencuentranencontactodirectoconelimpulsory paletas,que aprovechanlavelocidadqueentregaelmotorylaaccindela gravedad, lo que garantiza que las bolas estn en contacto permanente entreellasyelcontenedor,elimpulsordebenteneruntratamiento trmicoparaeldesgaste.Ensiesunsistemabastantesencillo,pero posee desventajas en la carga y descarga del material, y en el sello para garantizar que no se pierda el vaco mientras se esta moliendo. El concepto ms importante del Attritor es que la entrada de energa es utilizada directamente para agitar los medios que permiten moler, y no seutilizaningnsistemapararotarovibraralgntipodetanqueque origine perdidas de potencia. 38 Figura 11. Molino Tipo Attritor Horizontal.15 Enrelacinconelprincipiodefuncionamientosepuededecirquela operacin de un Attritor es simple y eficaz. El material que se moler se pone en un tanque inmvil con los medios que muelen. Los materiales y los medios entonces son agitados por un eje con brazos, rotando a alta velocidad, esto hace que los medios ejerzan fuerzas de alto impacto en elmaterial.Elresultadofinaldeesteprocesoeficienteesmaterial extremadamentefino,medidoenlosmicronesoenfraccionesde micrones. Se debe tener en cuenta que debido a la concentracin de gran energa deimpactosedenotaunaumentoenlatemperaturainternadel sistema,queescontraproducenteparalaproduccindelaaleacin mecnica,porloqueelmecanismodebeestarprovistodeunsistema derefrigeracincapazdemantenerlatemperaturainternademanera constanteyunsistemadeaislamientoodeatmsferacontroladaque permita bajos ndices de contaminacin de la aleacin final. 15MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 20 39 EnlaFigura12semuestraladisposicindeunmolinotipoAttritor vertical,dondeelmotoresconectadodirectamentealimpulsorque proporcionaelmovimientoderotacineimpactoalosmedios moledores. Figura 12. Molino Tipo Attritor Vertical.16 Entre las ventajas que se encontraron en este dispositivo de molienda se tiene: Gran velocidad de impacto entre el impulsor y medios moledores. Fcil construccin. Las desventajas que se encontraron en este tipo de mecanismo son: El sello para mantener el vacio. Altas temperaturas de generacin. 16 [Union Proccess], Union Proccess, [Citado 13-06-2005]. Disponible en Internet: www.unionprocess.com 40 Prdida abundante del material a alear dentro del tazn. Desgaste de impulsores y bolas. Presenta dificultades para la descarga del material. Contaminacin del material a alear por desgaste de los medios moledores e impulsor. 4.1.3Molino Vibratorio Estesistemaaprovechalavibracinparadesempearsutrabajo,es importantelaaccintridimensionalyaqueproduceunmovimiento exacto,dealtafrecuenciaysepuedemolerunamayorvariedadde materialesatamaosdepartculacercanasdelordendelmicrn, graciasaquecombinamovimientocentrfugoyaxial,se garantizauna moliendahomogneaconvirtindoseenequiposdealtaeficiencia,ya queposeemenorcantidaddeelementosmviles,quesereflejaen bajos costos de mantenimiento. Su funcionamiento consiste en agitar la cargadepolvosybolasentresdireccionesmutuamente perpendiculares, aproximadamente a 1200 r.p.m. (ver Figura 13). Figura 13. Molino Vibratorio.17 17 [Engineering Division], Arachem Progressive o innovative o Dynamic, [Citado 13-06-2005]. Disponible en Internet: http://www.arachem.com.my/eng_sweco- grinding.htm 41 Seusaunmotorconvencionalparalograrlacombinacindelosdos movimientos,eldetalleparalageneracindeesteesladisposicinde contrapesosporfueradelalneaaxialquepermiteneldesplazamiento arribayabajo.Resaltadentrodelascaractersticasdeestemodelo,la alta capacidad de produccin de polvos aleados, ya que su volumen de albergue se encuentra entre 1 y 36 lts. Figura 14. Motor de Vibro-Energa.18 En la Figura 14. Se puede detallar los componentes que tiene un motor de vibro-energa, donde se observa los contrapesos, ambos por fuera de lalneaaxialdelejeprincipal,suprincipalfuncinesgenerarun movimiento exacto en tres dimensiones. Losresultadosquemuestranestetipodemolinosdeamplitudesde vibracin variable y medios moledores de diferentes tamaos hacen que 18 [Engineering Division], Arachem Progressive o innovative o Dynamic, [Citado 13-06-2005]. Disponible en Internet: http://www.arachem.com.my/eng_sweco- grinding.htm42 latemperaturaquealcanzaenelcompartimientoseadelordendelos 473K.19 Las ventajas que proporciona este mecanismo de molienda son: Distribucin uniforme de tamao de partculas. Se reducen costos de mantenimiento por poseer menos piezasmviles. Estos requieren menos entrada de energa que los molinos convencionales. Pueden moler una gran variedad de materiales a un tamao de unos cuantos micrones hasta varios cientos de nanometros. Facilidad al muestreo y a la descarga del material. Las principales desventajas de este mecanismo son: Contaminacin del material. Sistema complejo para su construccin. 19MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 43-44. 43 4.2EVALUACIN DE LAS ALTERNATIVAS Deacuerdoaloplanteadoenelcapitulocuatro,numeral4.1dondese mencionanlos principales mecanismos utilizados para producir aleacin mecnica, se ha realizado un cuadro comparativo donde se muestran las principalesventajasydesventajas,teniendoencuentaloscostosque conllevan su construccin, de esta manera se determinar cual de todos los dispositivo es el mas adecuado para implementar en este diseo que se ha propuesto. Tabla 1. Cuadro Comparativo de caractersticas de diferentes Molinos. EnlaTabla1semuestrauncuadrocomparativodelascaractersticas de los diferentes molinos, teniendo en cuenta los requerimientos para el diseo del mismo, adems que las piezas se encuentren a disposicin en elmercadonacional.Enestecuadrosehaagregadolaalternativade combinar dos movimientos que es una parte innovadora en el diseo. 44 4.2.1 Conclusiones Teniendo en cuenta las ventajasy desventajas que ofrecen los molinos para la produccin de aleacin mecnica se ha concertado en combinar dosmovimientos,yaqueeslaalternativamsviableyacordeal presupuestoquesetiene.Comosemencionanteriormentesecuenta con un molino planetario, que aporta una gua de referencia si se desea seguirelmodelo,estetipodemolinoporserdefcilgeneracinde movimientoplanetarioseimplementaraldiseo,combinndoloconel movimientodevibracin,queeliminaladesventajaqueelmovimiento derotacingenera,estesacarlasbolasomediosmoledoresdela periferia cuando se alcancen velocidades de rotacin altas. 45 5PROCESO DE DISEO 5.1RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD A travs de los procesos de formacin superior se ha conceptuado como degranimportancialosdesarrollosgeneradosenloscentrosdocentes, como un potencial para solucionar problemas en la industria local. EnnuestraregindelValledelCauca,comozonadegranempuje industrialparaColombia,dondeunodesussectoresproductivosms importanteseselprocesamientodematerialesatravsdesusPYMES enmetalmecnica,congranperspectivasereconocelaaperturade lneasinvestigativasenlaproduccinamedianaescaladepiezas mecnicas que superen en cuanto a propiedades a las que se producen en la actualidad. Portalinquietudnacenunaseriedeproyectospresentadosa COLCIENCIAS,yaprobadosporesteenteestatal,conelobjetivode integraresfuerzosdelasdiferentesinstitucionesparasatisfacerla necesidad planteada. 46 El fortalecimiento de los laboratorios del rea de Mecnica de Slidos y Materiales de las Universidades Autnoma de Occidente, Universidad del ValleyUniversidadSantiagodeCali,sehacenecesariaparatalfin, adems de la integracin de las mismas en cada uno de los procesos de tipo investigativo en el rea. En estas universidades se cimentara a partir de este tipo de trabajos la participacindelosestudiantes,profesoresyasesoresenlaaplicacin de los conocimientos adquiridos a travs de carreras afines con el tema y los procesos de investigacin. Por tal razn una de la formas de reducir los costos en inversin y que estosremanentespuedanconcentrarseenlacompradeotros equipos, eldesarrollodeestosdeberrealizarseencuantoseaposibleatravs delosprocesosformativoscomoestudiosdepregrado,maestray doctorado. Enconsecuencia,laUniversidadAutnomadeOccidenteporsus fortalezasenpersonalyapoyosenherramientascomputacionalestipo CAD y CAE se comprometieron a disear y construir un molino de bolas dealtaenergayaltacapacidadcomoaportealainvestigaciny fortalecimientodeloslaboratoriosdetipointegradocongruposde investigacin de otros centros docentes incluyendo el SENA. 47 5.2ESPECFICACIONES Y REQUERIMIENTOS 5.2.1 Capacidad del Molino Serequierequeelmolinoproduzcaunmininodedoskilogramosde materialaleado,porcadacontenedorseespecificaunvolumendeun litro.Laespecificacininicialesqueporcadacontenedorseobtengan 0.5Kgdepolvosaleados.Porlotantoelnmerodejarrasconquese contarenelsistemaserdecuatroparasatisfacerdicho requerimiento. Las relaciones entre bolas y polvo mas usadas son 10:1, 20:1y 30:120. Enestecasoseutilizarlarelacinde10:1y20:1,estavariablese estimaparaevitarincrementoselevadosdetemperatura;quese puedenpresentarporunnmeroinadecuadodebolas,quesetraduce en el aumento del nmero de colisiones y el incremento de temperatura en el interior del recipiente de molienda. 5.2.2Por que Alta Energa? Para que un mecanismo de este tipo sea catalogado de alta energa la generacin de impacto debe ser elevada y esta se logra por el choque que se produce en el compartimiento de molienda, entre bolas-bolas, bolas-material y bolas-recipiente. 20 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 25. 48 5.2.3Sistema de Tipo Funcional Sediseteniendoencuentaparmetroscomolofuelasaplicaciones delmtododeingenierainversa,ademselensambledeldiseoes simple, para facilitar su mantenimiento. Laspiezassonnetamentecomercialesenelpas,elsistemaes totalmentedesmontableparamantenimientoycambiodepiezascomo rodamientos, accesorios de fijacin estos sern calculados para propiciar el cambio de estos dispositivos antes de finalizar su vida til. 5.2.4. Caractersticas del Movimiento Vibratorio Para el diseo en la parte de generacin del movimiento de vibracin se haacordadoquelaamplitudmximaalacualdebesubirybajarel sistema es del orden de 20 a 30 mm, adems se tiene que la frecuencia de excitacin debe ser de Hz 2 . 5.3. ESTUDIO DE POSIBILIDADES Dadoslosrequerimientosqueseexiganenlaconstruccin delmolino, se present la idea de disear y construir un molino tipo Attritor ya que brindacargasdeimpactoelevadas,yeldiseobrindafacilidadesde construccinyaquecuentaconuntaznnicodentrodelcualse realizantodoslosprocesos,tantomecnicoscomolageneracinde materialfinalaleadorequerido,laconstruccindeestesistema 49 resultabaeconmicoyaquenocuentaconmuchaspiezamviles,la dificultadquesedetectesprincipalmentelacargaydescargadel material que deba realizarse por baches, con lo cual se presentara una atmsferacontaminantealaqueestarasometidoelmaterial,otrade lasdificultadeseslaperdidadematerialenladescargadeltaznpor seruncompartimientodondenoesasequiblesumanipulacin,el impulsorymediosmoledoresestnsometidosadeformaciones constantes por las altas cargas de impacto que se presentan dentro del recipiente.Deacuerdoalomencionadoanteriormenteseabortoesta alternativa. Laalternativasiguienteenlaquesetrabajfueenelsistema planetario, teniendo en cuenta que en la Universidad del Valle posee uno de estas caractersticas, pero de baja capacidad, adems sirvi de gua para el diseo final del molino, la novedad del sistema se basaba en la transmisin,laideaeraquelatransmisinserealizarapormediode engranesyunacorona,ladesventajasqueseencontrsonlosaltos costos que se presentan en el maquinado tanto de los planetas como de la corona, la ventaja de este tipo de transmisin es su confiabilidad y no presentadesalineacionesperoelruidoqueestaproduciradurantela molienda seria un problema teniendo en cuenta que una molienda puede durar hasta 24 horas. 5.4METODOLOGA DEL DISEO Elxitodecualquierdiseodependeenpartedelavalidezydelo apropiadodelosmodelosdeingenieraqueseutilicenparaprevery 50 analizar su comportamiento. La creacin de un modelo de ingeniera til paraundiseoesprobablementelapartemsdifcilydesafiantede todo el proceso. Encualquierdiseoesindispensableseguirunospasosparatenerla certeza de la funcionalidad del equipo que se desea construir, en el caso delmolinoadecuardosmovimientosindependientesunodelotroes difcil,paraestosehizonecesariolaconstruccindeunmodelo funcional donde simulara la misma situacin. Figura 15. Modelo Funcional del Molino Elmodelofuncionalesunagranayudayaqueenestecasogener solucionesalosproblemasquesehabanplanteado,adecuardos movimientosindependientesyaplicarlosaunequipoquesevaa construirhacenecesariobuscardispositivosquecomplementeneste 51 requerimiento(separadordemovimiento).Observandolaviabilidaddel sistema se opto por disear y posteriormente construir un molino Vibro-Planetario. Con base al modelo funcional se plante la necesidad que el mecanismocontaracondosmotoresunoparagenerarelmovimiento planetarioyelotroparaelmovimientodevibracin,seestimqueel motor de vibracin deba ser soportado por una viga y no por la carcaza, elnumerodesoportesoguasdelsistemaseconcertaronentres barras, para mayor estabilidad. ParaeldiseodelmolinoVibro-Planetariosetrabajconherramientas computacionalestipoCAD,elsoftwarequeseusparadiseary modelarelcomportamientodecadadispositivofueSolid-Edge,la ventajaqueproporcionaesteelementoeneldiseoeselensamblede las piezas, las cuales en la construccin se hace mas fcil si se tiene un diseodetalladodecadaunodeloscomponentesysusrespectivos accesoriosdesujecin.ElsoftwaretipoCAEconquesetrabajpara modelarlosmecanismosfueron:softwaredeElementosFinitosAlgor (FEA) y Ansys Worbench, que se emplearon para modelar los soportes y columnas en el caso del molino. Elcontroldelmotorgeneradordelmovimientoplanetarioseharpor medio de un PLC, el cual servirn de apoyo para determinar los tiempos efectivos de molienda. Para el movimiento generador de la vibracin se contaraconunsegundomotorelcualseencargaradetransmitirel torque necesario para que el sistema suba la amplitud de requerimiento, por medio de una excntrica. 52 5.5DISEO PRELIMINAR Y DESARROLLO Unmecanismodeestascaractersticasdebenestarsujetosacambios permanenteseneldiseo,hoyendaexistenmtodosquese implementanparaoptimizarlaejecucindeldiseoyconstruccinde cualquier equipo. El proceso del diseo del molino se dividi en tres sistemas: el sistema de transmisin, sistema generador del movimiento planetario y sistema generadordelmovimientodevibracin,conelfindefacilitarla construccinenelensambleydesensambledelmismo,deunaforma rpidaysegura,queenlassiguienteslneassenombrar detalladamente. Cada una de estas divisiones tiene su propio criterio de diseoparaluegoserensambladosentresi.Deestemodosehan planteado los subsistemas que se detallan a continuacin. 5.6DISEO DETALLADO En esta parte del diseo se realizaron dibujos completos de ingeniera en software,comosemuestraenlaFigura16,sedefinieron especificacionesdemanufactura,eltipodemecanismomsadecuado parasolucionarelproblema,etc.Deestamaneraseplantearala seleccindecadadispositivo,lascaractersticasdecadaunodesus componentes,dondeserealizaranlosrespectivosclculosparacada elemento. 53 Figura 16. Diseo Detallado de las Partes que Componen el Molino de Vibro-Energa. 5.6.1Sistema de Transmisin Planetaria Elsistemadetransmisinsergeneradoporunmotoreductortipo verticalconvariador,lapotenciaentregadaporelmotoresde3Hp,a 280r.p.m.,eltorquenecesarioparahacergirarelejeytransmitirel movimiento de rotacin a la base planetaria es de 76.3N*m. La transmisinde polea motor-polea transmisor es de 1-1, se realizar por bandas de correa de caucho trapezoidales de perfil en V dentada ya que brinda altas y bajas velocidades en espacios reducidos, adems no sonruidosas,estaasuvezhacegiraruneje,queeselencargadode transmitir este movimiento de rotacin al soporte planetario. 54 Figura 17. Sistema de Transmisin. En la Figura 17 se muestran los dispositivos que hacen parte del sistema detransmisincomosonlossoportes,resortes,acopledelsistemade transmisinconelsistemaplanetario,queestnsoportadosporla carcaza. 55 Tabla 2. Piezas que Componen el Sistema de Transmisin. ComponenteMaterialPeso (n)Plano no Acople Base GuaAcero AISI 10405.890101-0201-00-0 Base Motor VerticalHierro Fundido82.400101-0300-00-0 VstagoAcero AISI 434025.510101-0400-00-0 Acople SistemaTransmisin Acero AISI 104078.480101-0500-00-0 Columna Patn WAcero estructural ASTM-A36 373.760101-0600-00-0 Viga ColumnaAcero estructural ASTM-A36 174.620101-0700-00-0 Polea PrincipalHierro Fundido108.890101-1600-00-0 Buje EstriadoAcero AISI 104010.790101-1700-00-0 Resorte InferiorCromo-Vanadio3.140101-1800-00-0 Polea MotorHierro Fundido94.180101-2001-00-0 Soporte de VibracinAcero ASTM-A36245.250102-0100-00-0 Caja Rodamiento LinealAcero AISI 434015.700102-0200-00-0 Eje EstriadoAcero AISI 43407.850102-0401-00-0 Tabla 3. Lista de Piezas Comerciales del Sistema de Transmisin. NombreCarga Dinmica Carga Esttica Masa (Kg.) cantidadDesignacin Rodamiento Contacto Angular 119000 122000 2.65 1 5311 E-2Z Rodamiento Cnico de Rodillos 84200 63000 0.92 1 T7FC45-7Fc Rodamiento de Bolas 12400127000.13161813-2RZ 56 5.6.1.1Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario Elmovimientoplanetariologeneraunmotoreductorverticalcon variador,detipovectorialparasercontroladoporunPLC,este dispositivodecontrollgicoprogramadoseconectpormediodeun computador para determinar tiempos efectivos de molienda, velocidades derotacin,potenciayrelacindetransmisinnecesariaparaobtener resultados ptimos tanto de eficiencia, como de energa de impacto que sepresentaenlosrecipientesdemolienda,elmotorvasoportadopor una base con sus respectivos tornillos de sujecin esta pieza se encarga desoportarydarlaestabilidadalmotorvertical,estedispositivose fabric de hierro fundido y se fij a la carcaza inferior. Figura 18. Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario. ElmotorseleccionadoquesemuestraenlaFigura18esverticaltipo brida que esta sujetado a la carcaza mediante un soporte fijo. 57 5.6.1.2 Seleccin y Clculo del Motor Generador del Movimiento Planetario Para realizar los clculos se seleccion inicialmente un motor de 3HP de potencia con velocidad de 280r.p.m., este es el encargado de vencer la inercia del mecanismo y los torques generados por fuerzas friccionantes en el sistema. Seguidamente se calcularon los valores de las inercias de los sistemas que estn afectados por este movimiento. Conociendo la potencia del motor se calcul la concentracin de fuerzas de friccin de cada uno de los sistemas: *) 3 ( M HP MotorT P =Donde MotorPes la potencia entregada por el motor, MT , torque del motor y es la velocidad angular. m NsradWattm p rHPTM* 3 . 7632 . 291 . 2237. . 2803=|||||

\||||

\|= (1) Las dimensiones del soporte del molino se determinaron dependiendo de lacapacidaddelasjarrascontenedorasdematerialenpolvoyla distribucinsobreelsoporte,enlaFigura19sepresentael dimensionamiento del soporte. 58 Figura 19. Dimensiones de la Base Planetaria en mm. Apartirdelasdimensionesdelsoporteserealizaronlosclculospara obtener la energa necesaria del mecanismo de molienda. Figura 20. Diagrama de Fuerzas del Sistema de Molienda. LaFigura20muestraeldiagramadecuerpolibredelsistemade molienda a partir del esquema se obtiene: 0 * = =g M N Fy g M N * = (2) 59 DondeNesigualalafuerzanormal,Meslamasadelsistemade molienda y grepresenta la gravedad. Para calcular la fuerza de friccin 1Fr de cada uno de los elementos de molienda se tiene que: N Fr *1 = (3) Donde es el coeficiente de friccin entre Acero-Acero21 en este caso es de 0.1 ya que el sistema esta en constante lubricacin. Los clculos se realizaron para el sistema de molienda. Del diagrama de cuerpo libre de la Figura 20, se obtiene que remplazando la ecuacin (2) en (3), la fuerza de friccin es de: g M Fr * *1 = (4) N Fr 33 . 34 81 . 9 * 35 * 1 . 01= = Laenergaoeltrabajoentregadoalmecanismodemoliendamostrado enlaFigura20quecontarconcuatrodepsitosencargadosde transferirlaenerganecesariaalosmediosmoledoresparaquese produzca la aleacin, se calcula de la siguiente manera. es Contenedor moliendaCantidad r Fr E * *1= (5) J m N Emolienda82 . 39 4 * 29 . 0 * 33 . 34 = = 21 THOMSON, W. T. Teora de Vibraciones. Prentice Hall ;1981 Mxico, Pg. 65 60 Donde moliendaE es igual a la energa de trabajo entregado al mecanismo de molienda y r es el radio de giro donde se aplica la fuerza. Sehacenlosrespectivosclculosdelosrestantesdispositivos,los resultados se muestran en la Tabla 4. Tomando una relacin de factor de seguridad de 1:2 y aplicndolo a los resultados de la tabla 4 se tiene que la energa total de los sistemas es de 73.5J. Para que el motor realice el trabajo, la energa entregada por el motor debe ser mayor a: = J Etotral5 . 73 (6) Tabla 4. Clculos requeridos para la Seleccin del motor. NombreMasa (Kg.) CantidadCoef. Friccin () Fuerza (N) Radio (m) Energa (J) Sistema de Molienda 35 40.134.330.2939.82 Base Planetario 29.6 10.129.040.3510.16 Soporte de Vibracin 25 10.124.530.4611.28 Energa Total Entregada por los Sistemas61.26 J Paraunmotorde2238Watt(3HP),lavelocidadnominalquedebe alcanzar un sistema de este tipo es de 31.4srad, esta velocidad se debe variar lentamente, para no forzar el mecanismo, se ha estimado que la velocidad requerida se obtendr en 10 segundos. 61 Figura 21. Grafica torque de carga Vs Tiempo. Lainerciatotaldelsistemasecalculporherramientas computacionales,enestecasoelsoftwareSolid-Edgedeterminun valor de: 2* 18 m Kg Inerciasistema = (7) En la Figura 21 se muestra la grafica de funcionamiento del motor a una velocidad mxima de 31.41srad, estimando que el trabajo realizado por elmolinosecomportademaneralineal,sehacalculadolapendiente para obtener la aceleracin angular. dtdm = =; 2141 . 31041 . 31sradssrad= (8) 2141 . 3srad= Donde es igual a la aceleracin angular. 62 Paraelclculodeltorquequerequiereelmotorparagenerarel movimiento,sehadefinidocomoeltorquedelossistemasmsla inerciatotalafectadoporlaaceleracinangularenestecasoconlas ecuaciones (6), (7) y (8) se tiene que: *sistema emas totalsisit MotorInercia Energa T + =(9) Jsradm Kg J TMotor130 141 . 3 * * 18 5 . 7322= + = Para un motor de 3HP y un torque de transmisin 76.3J se estima que el torqueseincrementa3vecessuvaloralreducirlavelocidad.Eneste caso se tiene: J J Tn Transmisi228 3 * 3 . 76 = = (10) Seseleccionunmotoreductorverticalconvariadorde3HPyaqueel torquedetransmisindeesteessuperioralrequeridoparasu funcionamiento.Paraestedispositivoelarranquedeberealizarsecon unavelocidadderotacinde10r.p.m.eirseincrementando progresivamentehastaalcanzarlarequerida,enestecaso300r.p.m., como se tiene que la inerciadel sistema es alta en comparacin con el mecanismo se hace esta salvedad para no forzar el motor. Algunas caractersticas del motor seleccionado se indican en la Tabla 5: 63 Tabla 5. Caractersticas Tcnicas del Motor Seleccionado Para Movimiento Planetario22. MOTOR GENERADOR DEL MOVIMIENTO PLANETARIO Potencia Nominal (HP)3 ReductorSK 33 Motor 4100L Relacin37.93 Velocidad de Salida (RPM)46 Torque Nominal (N*m)457 Torque Mximo (N*m)625 Factor de Servicio1.4 Carga Radial (N)8.950 Carga Axial (N)9.000 El motor entregar una velocidad de rotacin de 280r.p.m. a una polea conectadadirectamenteaestedispositivomotriz,estapoleaasuvez transmitirlarotacinalapoleacentral,lageometradelapolea motor-poleatransmisinsoniguales,estaasuvezhacegirareleje central que es el encargado de generar el movimiento planetario. Paralaseleccindelvariadorsetuvoencuentalainerciaquedebe mover 2* 18 m Kg Inerciasistema =y la potencia que transmite el motor que es de3HP.Lasespecificacionestcnicasdelvariadorqueseseleccionse muestran en la Tabla 6. 22 Catalogo motoreductores. Yaskawa ASSI Variadores S.A. 64 Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Variador. VARIADOR YASKAWA ModeloCIMR-J7AM22P2 ReferenciaJDAO11 Entrada AC3PH 200-230v,Hz6050, 15.1A SalidaAC3PH 0-230v,Hz 400 0 , 11A Masa1.5Kg SerieN4WD936-11-003/V0410 5.6.1.3 Acople Base Gua Esta pieza se dise para que sus caras ensamblaran entre si, en forma debrida,yaquesuestructurafavoreceelacopleydesacopledel sistema,estapiezaeslaencargadadefijarlaguaypermiteelfcil mantenimiento de los rodamientos. La pieza que se dise cuenta con la ventaja de ir empotrada tanto en la parte inferior como en la parte superior de la carcaza de aluminio, en la Figura22semuestralosaccesoriosdesujecinyajuste,estesistema cuenta con cuatro pernos con sus respectivas tuercas que mantienen el mecanismo estabilizado, la pieza es practica, ya que permite que la gua seintercambiefcilmenteyevitaqueelsistemasedesequilibre.El material seleccionado para fabricar esta pieza es acero AISI 1040. 65 Figura 22. Ensamble Acople Base Gua. 5.6.1.4Columna Patn W Perfil Soporte Motor Como se muestra en la Figura 23 el motor generador de la vibracin es soportadoporunaviga,estediseserealizparaquelacarcazano estexpuestaacargasyfuerzas,lacarcazaseconstruyde aluminio. La estructura de la viga seleccionada es de perfil rectangular W6 (6x4). El anlisis de la estructura se realiz mediante el software de elementos finitosAlgor,estaherramientaesindispensableyaqueesteprograma tiene la opcin de seleccionar la geometra que se desea disear, entre estasalternativassetienenperfilescomerciales,ademsdeterminala mximadeformacinqueresistirelperfil,estemecanismose encargardelajustedelmotorhorizontalgeneradordelavibracin. Este soporte ser construido de acero ASTM A 36, el cual ir empotrado enlaparteinferiordelacarcazasualturaesde1mt.,labaseque soportaelmotoresperpendicularalaviga,estasdosestructuras cuentan con chaflanes a 45 para la unin por soldadura. 66 Estimandoqueelpesodelmotorylafuerzaquedebeejercereste mecanismo para levantar toda la estructura es de 6000N, esta carga es aplicada en un extremo de la viga, con estas caractersticas se obtienen los resultados mostrados en la Figura 23. Figura 23. Anlisis Columna por software. EnlaFigura23sepresentaelmximodesplazamientodelaviga,en este caso se exhibe en el extremo con un valor de 3.51*10-4mm. En la Tabla7seresumenlosresultadosdelosanlisisindicandoeltipode cargaqueseaplic,ymuestralaspropiedadesdelperfil.Paraelcaso particular lo que interesa en la seleccin del perfil es el rea transversal. 67 Tabla 7. Propiedades del perfil.23 Propiedades del perfil en W Tipo de Elemento Tipo Beam rea (m2)0.0023 Resistencia Torsional J1 (m4)3.75E-08 Momento de Inercia I2 (m4)1.24E-06 Momento de Inercia I3 (m4)9.20E-06 Seccin PerfilW6.00X12.00 Paraseleccionarelperfilsedebetenerencuentaelradiodegiroyel rea transversal, en este caso el rea de 0.0023m2. Paraelanlisisdelacolumnalosclculosserealizaronporpandeo dondeseencontraronlascargascrticas,losesfuerzosyelfactorde seguridad, en la Tabla 8 se muestra las caractersticas y dimensiones de la columna a analizar. Tabla 8. Caractersticas de la Columna. NombreValores Longitud Columna (m)1 Carga de Trabajo (N)8000 Material Acero 1020 Limite Elstico (MPa)207 Modulo de Elasticidad (GPa)206.8 La columna se analiz teniendo en cuenta los apoyos; en este caso, se consider para un sistema empotrado y libre. 23 [Center for mechanical design technology: finite element analysis simulation and opt], [Citado 15-06-2005]. Disponible en Internet: www.algor.com 68 20023 . 0 m AreaColumna= (1) Dependiendo de los apoyos de la columna, se calcula la longitud efectiva eL, teniendo en cuenta que la longitud de la columna es de 1 mt. L Le* 2 = (2) m Le2 = . Igualmente la inercia de la columna se calcul por software de anlisis, en la Tabla 7 se registra este valor. 4 6210 * 24 . 1 m I= (3) Para el clculo de radio de giro se deben reemplazar las ecuaciones (1) y (3) en (4)ColumnaAreaIK2= (4) m K 023 . 0 = Paraelclculodelarelacindeesbeltezsereemplazanlasecuaciones (2) y (4) en (5). KLe= Re (5) 96 . 86 Re = 69 Dado que se tiene una columna intermedia con una esbeltez de 86.96 se aplica la formula de Jhonson. Reemplazando los valores de la Tabla 8 y las ecuaciones (1) y (5) en (6) (((

=EArea PyColumna y Critica* 4Re *1 * *22 (6) N PCritica384815 = En este anlisis la carga critica para que la estructura falle es 385641N esteesunvalorelevado,porlotantoseesperaqueelfactorde seguridad sea alto. Reemplazando la ecuacin (6) y la carga de trabajo que se muestra en la Tabla 8 en (7) TrabajocriticaPPS F = .(7) 48 . = S F Pormediodecatlogosespecializadosenperfilessetienenlas dimensionesnominalesquedependendelageometradelperfil,el materialconquesevaaconstruir,etc.Seencontrquelosperfiles rectangulares(W)sonmuyutilizadosyporlogeneralelmaterialcon que se construyen es acero ASTM A36 que presenta mediana resistencia para fabricacin de perfiles en vigas, canales y ngulos. 70 Tabla9.ComposicinQumicadelMaterialSeleccionadoparala Construccin de la Viga24. Composicin Qumica Limite Elstico (Ksi) Resistencia Ultima(Ksi) Especificacin CMnPSSiCb ASTM A 360.251.200.0400.50.04--- 3658 - 80 EnlaTabla9sepresentalacomposicinqumicadelaceroquese seleccionparalaconstruccindelaviga,lacaractersticadeeste material es que presenta buenas propiedades mecnicas y es comercial, ademsenelmodeladoporherramientascomputacionalessetrabaj con este material. Para la seleccin de perfiles se tiene en cuenta el modulo de la seccin, que se obtuvo por herramientas computaciones donde los resultados se presentaronenlaTabla7.Paralaconstruccindelelementose seleccion un Perfil W6 (6x4). 5.6.1.5 Calcul de Vstago El sistema cont con 3 guas macizasel material con que se fabricaron laspiezasesdeaceroAISI4340,cadaunacondimetrode20mm., esta pieza se encargar de fijar la estructura y soportar parte del peso del mecanismo planetario junto con los resortes, la pieza se fabric con unlabradoroscado,dondeunatuercaseencargardemantener 24 [Manual de aplicacin de ngulos de acero laminados en caliente ASTM A572 grado 50]. [Citado 15-06-2005]. Disponible en Internet: http://www.acerosarequipa.com/downloads/manualG50.pdf 71 precargadoelresortealamitaddelrecorridodetrabajo,enestecaso 10mm,estasguasayudarnamantenerelmovimientodevibraciny evitarnqueelmecanismosedesestabilice.Comolapiezaesta sometidaaconstantefriccin,enlosextremosdelsoporteestrellase acondicionaroncompartimientosparaalojarlosrodamientosdebolas linealesygarantizarelmovimientoevitandolafallaporfatigadel vstago. Losclculosdeldispositivoserealizaronporpandeo,elmaterialde referencia con que se trabaj es un acero AISI 1020, el material con que seanalizestedispositivoposeebajaspropiedadesmecnicas comparado con el material que realmente se construy la pieza. Para los parmetros de diseo se tuvo en cuenta que a mayor longitud y esbeltezdelacolumna,menoreselesfuerzodeseguridadquepuede soportar,estedispositivoresistirunacargacentralde5000N,porlo tanto se tiene que: Tabla 10. Ficha Tcnica de la Pieza que se Analiz por Pandeo DENOMINACINDIMENSIN Longitud Vstago (m)1 Dimetro del Vstago (m)0.02 Carga de Trabajo5000 Material Acero 1020 Limite Elstico (MPa)207 Resistencia Mxima a Tensin (MPa)379 Modulo de Elasticidad (GPa)206.8 72 Lavigaseanalizteniendoencuentalosapoyos,paraestecasose tiene un sistema empotrado y articulado. El rea de una seccin circular maciza se calcula de la siguiente manera: 2 4210 * 14 . 34*mDA= = (1) m o L Leje e707 . 0 arg * 707 . 0 = = (2) 4 9410 * 85 . 764*mDIx= = (3) Para el clculo de radio de giro se reemplaz las ecuaciones (1) y (3) en (4) mAIKx005 . 0 = = (4) Paraelclculodelarelacindeesbeltezsecalculareemplazandolas ecuaciones (2) y (4) en (5). 4 . 141 Re = =KLe(5) Comosetieneunacolumnalargaconunaesbeltezde141.4seaplica formuladeEuler.ReemplazandolosvaloresdelaTabla10ylas ecuaciones (3) y (2) en (6), se obtiene la carga crtica. 22* *excriticaLI EP= (6) N 9 . 2053 3707 . 010 * 85 . 7 * 10 * 8 . 206 *29 9 2= =CriticaP73 En este anlisis la carga crtica que producir la falla de la estructura, es de32053.9N,conestevalorsecalculaelfactordeseguridad. Reemplazando las ecuaciones (6) y la carga de trabajo que aparece en la Tabla 10 en la ecuacin (7). TrabajoroturaPPS F = .(7) N PTrabajo5000 = 41 . 650009 . 32053. = =NNS F 5.6.1.6 Acople Sistema de Transmisin Estapiezaeslaencargadadesoportarytransmitirelmovimiento planetario,sediseyfabricdeacero1040,ensuinterioralojarun rodamiento de bolas de contacto angular; que permite acoplar la polea y el buje brochado para transmitir la rotacin que viene del motor vertical. Este dispositivo essolidario ala carcaza inferior y su fijacin se realiza por medio de pernos y tuercas. Figura 24. Acople Sistema de Transmisin. 74 En la Figura 24 se muestra la pieza que acoplar a la parte inferior de la carcazaconpernos,ensuinteriorsealojarunrodamientoparael movimientoderotacin;estecompartimientoestarlubricado constantemente para eliminar la friccin entre materiales. 5.6.1.7 Polea Transmisora La polea es un dispositivo mecnico de traccin, formado por una rueda montada en un eje, con una cuerda o banda que rodea la circunferencia de la rueda. Unapoleafijanoproporcionaningunaventajamecnica,esdecir, ningunagananciaenlatransmisindelafuerza:slocambiala direccin o el sentido de la fuerza aplicada a travs de la cuerda. Larelacindetransmisinentrepoleadelmotorypoleacentralesde 1:1,eldimetrodeambasesde11pulgadas,lavelocidadderotacin viene del motoreductor. La polea de transmisin es simtrica a la polea del motor y se fabricaron por fundicin de hierro. LapoleacontcondoslabradosparalatransmisinporbandasenV hexagonal y dentada, el movimiento de rotacin entregado por el eje del motorserepartirhacialapolea;quenoestotalmentemacizaconsta debrazosovenascomovolante,queseencargarandemantenerla inercia del sistema equilibrada. 75 Encatlogosdepoleas25setienenlasdimensionesnominalescomoes el dimetro, la geometra de la correa, el labrado del perfil, entre otros. Figura 25. Dimensiones Generales de la Polea Transmisora en mm. EnlaFigura25semuestralasdimensionesdelapolea,elcuboser labradocontrespestaasparaalojarunbuje,lapoleaacoplarenun compartimientoverFigura24,dondevainstaladounrodamientode bolas de doble hilera. Figura 26. Polea de Transmisin. En la Figura 26 se muestra el cubo de la polea central donde se acoplar el buje brochado, en esta pieza se apoya y gira el eje; la polea tiene 3 25 Catalogo Emerson Power Transmisin Pg. A-7076 pestaasdondesefijaralbujecontornillos,estedispositivosirve comoseguridadparaprotegerlapoleadelascargascriticasqueen algninstanteocurran,ademsprotegelosdispositivosdelrozamiento que se genere entre si. 5.6.1.8 Buje Estriado Como se muestra en la Figura 27 esta pieza se aloj en el interior de la polea, consta de un buje brochado de Acero AISI 1040 con tratamiento superficialdeNitruracin,eldimetrodelcuboesde65mm,con pestaas de 7mm x 7.19mm. Figura 27. Buje Estriado. 5.6.1.9Diseo de Resortes Paraelcasodelmolinounodeloscomponentesimportantesdel sistema,sonlosresortesyaquebrindanestabilidadycompensala fuerza que debe realizar el motor generador de la vibracin. Los resortes estarn sobre la gua tanto en la parte inferior como en la parte superior del soporte estrella. 77 Para este sistema se cont con dos tipos de resortes de diferente tasa, serealizaronlosanlisisfsicosysetienequelafuerzaejercidaporel resorteinferiorparasoportarelsistema,esmayoralresortequese encuentra ubicado en la parte superior del soporte. Losresortesmsutilizadosenlaindustriasonloshelicoidalesde compresinquetienenunaltorangodecargaofuerzadeempujey deflexin. En general el dimetro de la espira del resorte es constante y en ocasiones los extremos del resorte son cuadrados y rectificados para que sirvan de apoyo en una superficie; como es el caso del molino que se construy. En el clculo de los resortes las especificacionespara el diseo de este dispositivomecnicoestadadoporelsistemadevibracin.El mecanismoplanetariocontarconunasguascondimetrode20mm, los resortes son colocados dentro de las guas y son los encargados de soportar el peso del sistema de 4000N, se ha estimado que los resortes estnprecargados,ladeflexindetrabajoesde15mmqueesunode los requerimientos para que el sistema efecte su funcin y garantice su movimiento constante arriba-abajo. 5.6.1.10Clculos para el Resorte Inferior El ndice del resorte26 viene dado en un rango de 4 a 12, si el ndice del resorteesmenorocercanoa4elresorteesdifcildefabricar,para dimetrosmayoresa12probablementepandee.Estdefinidocomola 26 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Pg. 824. 78 razn del dimetro de espira por dimetro de alambre. Para una buena seleccindelatasadelresorteserecomiendaqueestevalorse encuentreentre6y9yaqueenesteintervaloeldispositivo implementado es fcil de fabricar. dDC = (1) Enalgunoscasossetienenencuentalosdimetroscomercialesque existen en el mercado, segn las caractersticas y funcionamiento de la piezaseescogelaquecumplaconlasnormasyrequerimientosdel mecanismo. En tablas y catlogos de resortes se tiene las caractersticas de algunos de ellos27. ParaeldiseoyfabricacindedichodispositivoenlaTabla11dela referenciaanteriorseseleccionunresortequeporsuscaractersticas se construy de Cromo-Vanadio, la ventaja es de dimetro comercial, en elsiguienteapartadosemuestranalgunasdelascaractersticasysu descripcin. 27 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Tabla 13-1, Pg. 817. 79 Tabla 11. Caractersticas del Resorte28. MATERIAL COMN PARA ALAMBRE DE RESORTE DenominacinA232/SAE 6150 MaterialCromo-Vanadio Descripcin y Propiedades Adecuadoparacargasalafatiga, tambinbuenoparacargasde impactoydegolpe.Para temperaturasdehasta220C, disponible recocido y prerrevenido. Teniendo en cuenta que el dimetro interior de la espira debe ser mayor aldimetrodelvstagoparaevitarfriccinentreestosdoselementos, se realizan iteraciones hasta obtener el dimetro adecuado, teniendo en cuentaqueelfactordeseguridadsemantengaenunrangode1a2 para evitar la falla por pandeo o que el sistema entre en resonancia. Losdimetroscalculadossecomparanentablasdecatlogos comerciales que dependen del material con que se fabrican los resortes, para este caso el acero del resorte es Cromo-Vanadio y el dimetro est dado en un rango de 0.9mm a 11mm. Paraelclculodelresortesedejaronparmetrosfijosparaiterary obtenereldimetrodeespiradelalambreenestecasosedetermin que: m dalambre0065 . 0 = (2) 6 = C (3) 28 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Tabla 13-1, Pg. 817. 80 Con los valores de las ecuaciones (2) y (3) se calcula el dimetro de la espira que debe ser comparado con el dimetro del vstago, si es menor debeiterarsenuevamente.Delaecuacin(1)sedespejaDyse reemplaza en las ecuaciones ya mencionadas. alambred C D * = (4) m m D 039 . 0 0065 . 0 * 6 = = Para determinar el factor de cortante directo se debe tener en cuenta la tasadelresortedelaecuacin(3)yconestefactoradimensionalse calcula el esfuerzo cortante en la espira. Reemplazando la ecuacin (3) en (5) se tiene que: CKS5 . 01+ = (5) 083 . 1 =SK Donde la fuerza mxima y mnima es la que debe ejercer el resorte para realizarsutrabajo,lafuerza4000Nquedebesoportarelresorteesta dividida en tres, ya que cuenta con tres guas y tres resortes para todo el mecanismo. Se ha determinado que: N Fmxima2500 = (6) N Fmnima2000 = (7) Elclculodelesfuerzocortantedirectoenlaespiraserealizteniendo encuentalafuerzamnimaqueelresortesoportarenestecasose 81 reemplazalassiguientesecuaciones(2),(4),(5)y(7)en(8),delas cuales se obtiene un esfuerzo de: espiramnimaS idD FK3** * 8* = (8) MPai3 . 783 = Elesfuerzocortantemediosecalculateniendoencuentalafuerza mximaqueejerceelresorte.Reemplazandolasecuaciones(2),(4), (5) y (6) en (9) se tiene que: alambreimoS mdD FK3max** * 8* = (9) MPam41 . 979 = Otro de los factores a tener en cuenta es el factor WK(Wahl) se calcula apartirdelatasadelresorteecuacin(3),seusaparacalcularel esfuerzo cortante alternante ade la espira. C CCKW615 . 04 * 41 * 4+= (10) 25 . 1 =WK Unresortecargadodinmicamenteoperarendosnivelesdefuerzas, queinvolucratantolafuerzamximaymnimaquedebesoportarel resorte para realizar su trabajo, para estos valores, los componentes de fuerzaalternanteymediosecalculanapartirdelassiguientes ecuaciones. Reemplazando (6) y (7) en las siguientes ecuaciones. 82 NF FFmnima mximaa2502== (11) NF FFmnima mximam22502=+= (12) Paraencontrarelesfuerzocortantealternanteenlaespirasedebe Reemplazar las ecuaciones (2), (4), (10) y (11) en la ecuacin (13) alambreaW adD FK3** * 8 = (13) MPaa01 . 113 = Paradeterminarlaresistenciamximaalatensindelmaterial,se calculanloscoeficientesyexponentesdelmaterialconquesevaa construir los resortes. De la Tabla 12 se tiene que: espirabd A Sut * = (14) MPa Sut 3970 = Tabla 12. Coeficiente y Exponentes para el Clculo de la Resistencia del Alambre29. DesignacinMaterialExponente (b) Coeficiente A (MPa) A232Cromo-Vanadio-0.14531909.9 ConelvalordeSut seobtieneelvalordelaresistenciaacortanteyel lmiteelsticoalatorsin.Laresistenciamximaalatorsin,esta 29 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Tabla 13-4, Pg. 819. 83 relacionada con la resistencia cortante mxima en un 67% de acuerdo a la ecuacin (14) MPa Sut Sus 9 . 2659 * 67 . 0 = = (15) MPa Sut SyS2382 * 60 . 0 = =(16) Otroparmetroeseltipodeacabadosuperficial,alosresortesseles realiz proceso de granallado, para incrementar la resistencia a la fatiga. MPa Sew 465 = (17) Conloslmitesderesistenciacalculadosanteriormenteenlas ecuaciones(15)y(17),secalculalaresistenciaalafatigatotalmente alternante. Sew SusSus SewSes* 707 . 0** 707 . 0= (18) MPa Ses 1 . 300 = Conociendo el valor de la resistencia a la fatiga se encuentra el factor de seguridadadicionndoleunaconfiabilidaddel80%,parasuclculose reemplaza los valores de las ecuaciones (8), (9), (13), (15) y (18), en la siguiente ecuacin: ( )( )a i miSus SesSus SesS F * **.+ = (19) 56 . 1 . = S F 84 El factor de seguridad S F.determinado en la ecuacin (19), al ser mayor de 1, indica la conveniencia de seleccionar este resorte. Como se ha determinado que la amplitud del recorrido sea de 30mm, se optparaeldiseodeesteelemento,quelafuerzaejercidaporlos resortes ser la necesaria para cumplir con el requerimiento de trabajo; como el sistema va a tener dos componentes elsticos tanto en la parte inferiordelsoportecomoenlasuperior,eldesplazamientototalse dividialamitaddesurecorrido,paraquelosresortesestuvieran siempre precargados, en este caso el recorrido de trabajo es de 0.015m cuandoelresorteestacomprimidoylamismacantidadcuandoel resorte esta ejerciendo la fuerza contraria. m YTrabajo015 . 0 = (20) Paradeterminarlaconstantedelresortesedebetenerencuentala fuerza necesaria que debe aplicrsele al resorte para realizar el trabajo decomprimirestalongituddetrabajo.Reemplazandolasecuaciones (11), (12) y (20) se obtiene la tasa del resorte: Trabajoima imaYF FKmin max=(21) mNK 33 . 33333 = Conestosfactoressecalculaelnmerodeespirasactivasquesonlas encargadasdesoportarelpesodeprecargaycarga,cuandoelmolino esta trabajando. Se calcula reemplazando las ecuaciones (2), (4) y (21) en la siguiente ecuacin: 85 |||

\|=K DG dNaalambre* * 8*34 (22) Delaecuacin(22);G,eselModuloderigidez30delmaterialdel resorte,enestecasoelmaterialseleccionadoesunaceroalCromo Vanadio (acero inoxidable), que tiene un valor de 74,1GPa. K = es la tasa del resorte (N/m). Na= numero de espiras activas. 11 . 9 = Na Comonosetrabajaconcifrasdecimalessehaceaproximacinade espira que es la mas cercana, en este caso el numero de espiras activas son 9.75 para una mejor calidad de produccin en la pieza. El nmero total de espiras se calcul con el nmero de espiras activas + 2.Lalongituddecierre cierreL esladeflexinquepresentaelresorte cuando esta soportando la carga dinmica de todo el dispositivo. 2 + = Na Nt (23) espiras Nt 75 . 11 = Lalongituddecierresedeterminaconeldimetrodelalambre, multiplicndolo por el nmero total de espiras que tiene el resorte. Esta longituddecierreeslalongitudmximadecompresindelresorte cuandoelmecanismoesttrabajandoasumximacarga. Reemplazando las ecuaciones (2) y (23) en la siguiente ecuacin (24): 30 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Tabla C-1, Pg. 994 86 Nt d Lalambre cierre* = (24) m Lcierre0722 . 0 = La altura inicial inicialYes la deflexin del resorte cuando esta precargado. Reemplazando las ecuaciones (7) y (21) se tiene que: KFYmnimainicial = (25) m Yinicial06 . 0 = Ladeflexindegolpeo golpeYsecalculasuponiendounaholgurade golpeoigualal15%deladeflexindetrabajo,delsistemavibro-planetario. Reemplazando la ecuacin (20) en la ecuacin (26). Trabajo golpeY Y * 15 . 0 = (26) m Ygolpe00225 . 0 = Estaalturadegolpeoesladeflexinmximaqueresisteelresorte cuando esta trabajando a mxima carga. Lalongitudlibredeterminalalongitudtotaldelresortesinaplicrsele cargaalguna.Reemplazandolasecuacionesanteriores(20),(24),(25) y (26), en la ecuacin (27) se obtiene que: inicial Trabajo golpe cierre fY Y Y L L + + + = (27) m Lf1495 . 0 = 87 Ladeflexinqueexperimentaelresorteasumximacarga,se determina reemplazando las ecuaciones (24) y (27) en la ecuacin (28). cierre f cierreL L Y = (28) m Ycierre077 . 0 = La fuerza de deflexin de cierre se calcula reemplazando las ecuaciones (21) y (28) en la ecuacin (29). cierre cierreY K F * = (29) 2566,67N =cierreF Otrodelosparmetrosimportanteseneldiseoeslaverificacinpor pandeo, ya que determina si el sistema es estable o inestable. Se define comolarazndelalongitudlibreototaldelresortesobreeldimetro de la espira, con las ecuaciones (3) y (27) en la ecuacin (30). 83 . 3 =DLf(30) Otrodelosdatosparalaverificacinporpandeo31sedefinecomola razndeladeflexinalalongitudlibre.Enestecasosecalcula reemplazando las ecuaciones (20), (25) y (27) en la siguiente ecuacin: 30 . 0 =LfY Ytrabajo inicial (31) 31 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Figura 13-14, Pg. 828 88 La interseccin que se presenta entre los valores de las ecuaciones (30) y (31), Ver Anexo A verifica si el si el sistema es estable o inestable. Por lo general si el factor DLf > 4, puede ocurrir que el resorte se pandee. Enestecasodeacuerdoalresultadoelsistemapresentar comportamiento estable. Los dimetros de espira interior y exterior se calculan reemplazando las ecuaciones (2) y (3) en las siguientes ecuaciones: alambre od D D + = (32) m Do045 . 0 =espira id D D = (33) m Di032 . 0 = Elespacioentrevstagoyresortedebesereladecuadoparaevitar friccin entre estos dispositivos. m Dvastago02 . 0 = (34) Reemplazando las ecuaciones (33) y (34), se calcula el espacio libre que hay entre vstago y resorte. 2vastago iresorte vastagoD DEspacio=(35) 0.0063m =resorte vastagoEspacio Para el clculo del peso de las espiras se tuvo en cuenta el nmero total de las espiras, el dimetro del alambre, la densidad del material, en este 89 casoesunaceroinoxidable,dimetromediodelasespiras,etc.Los clculosserealizaronapartirdelassiguientesecuaciones, reemplazando las ecuaciones (2), (3), (23) y (36) en la ecuacin (37). 37800mKgacero = (36) 4* * * *2 2 Nt D dWalambreresorte = (37) Kg Wresorte352 . 0 = Lafrecuencianaturalesunodelosparmetrosdediseoimportantes para este dispositivo, ya que si el resorte entra en resonancia el sistema fallar.Reemplazandolasecuaciones(21)y(37)enlasiguiente ecuacin se tiene que: resorteNaturalWgravedad Kf**21=(38) Hz fNatural482 = Como la frecuencia de operacin de vibracin del molino es de 2 Hz, la frecuencianaturaldelresorteseencuentraalejadadeestevalor,en este caso en particular el resorte es adecuado para este trabajo. Para las caractersticas del diseo de los resortes se tuvo en cuenta los parmetrosantesmencionadoscomoloeselfactordeseguridadde 1.56 con una confiabilidad del 80% y un dimetro de alambre comercial. 90 Figura 28. Geometra y Dimensiones del Resorte Inferior en mm. 5.6.1.12Clculo del Resorte Superior Elprocedimientoqueseutilizparalaseleccinyclculodelresorte inferiorseaplictambinparaelresortesuperior,yaqueambos trabajarnatraccinyacompresin.Sepresentvariacinenel dimetrodelalambre,eldimetrodeespiras,latasadelresorte,la constantedelresorte.Losdatosfinalesdelresorteseencuentran registrados en la Tabla 13. 91 Tabla 13. Seleccin del Resorte Inferior y Superior. RESORTE INFERIOR RESORTE SUPERIORDimetro de Espira39 mm.35 mm. Dimetro del Alambre6.5 mm.5.0 mm. Constante del Resorte33333.3 N/m16666.6 N/m Longitud Total149.5 mm.131.5 mm. Nmero de Espiras11.7510.75 MaterialAcero Cromo-Vanadio Paraelclculoyseleccindelresorteserealizunahojade procesamiento de datos en Excel parafacilitar el dise, y tener varias alternativasdetrabajo;debidoaquealgunosdatosvienenregistrados porrangosparacambiarpaulatinamente,deestaformasefacilitalos clculos de los resortes superior e inferior. 5.6.1.13Soporte de Vibracin Geometra Estrella La geometra que se adopt para el soporte de vibracin cuenta con tres brazosestructuralesdispuestosa120o cadauno,estadistribucinse realizparaqueel sistemasemantengaestabilizado.Ensusextremos atraviesantresguasde20mmcadauna,quesonlasencargadasde mantenerelsistemaenlaposicincorrectadefuncionamiento,el soporte de vibracin y el soporte de la base planetaria se construyeron de una platina maciza de acero AISI 1020, estas piezas se analizaron y modelaron por herramientas computacionales (CAE) a partir de ellas se 92 determinelespesoradecuado,comosedetallaenlossiguientes puntos. 5.6.1.14Geometra de la Pieza a Analizar Para el soporte de vibracin se realizaron los anlisis para espesores en unrangode10a30mm,lafinalidaddeelloesdeterminarelespesor mnimo que fue implementado en el dise y construccin de la pieza. El anlisisporsoftwaredeesteelementoparaunespesorde15mm proporcionaron buenos resultados, seespera al realizar dichos estudios que el esfuerzo mximo suministrado por el software no supere el lmite elsticodelmaterialconquesevaaconstruirlapieza.Comoestos anlisissehacendeformaestticasedebemultiplicarelesfuerzopor un factor dinmico del 25% para resultados apropiados. 5.6.1.15Cargas Aplicadas para el Anlisis del Soporte Losanlisisquesepresentanacontinuacinserealizaronparaun espesorde15mm,Lacargatotalsedistribuyeentrelos3brazosdel soporte cada uno con 18 nodos, la carga total del sistema es de 4000N, se tiene una carga aproximada por cada nodo de 74.07N. Figura 29. Cargas que se Aplican al Soporte. 93 Las cargas que se presentan en la Figura 29 se aplican en los extremos de cada brazo. En el centro de la pieza se tiene una base circular de un espesorde10mmquefuesoldadaalsoportedondeservirdeguay reposara la polea, con su respectivo rodamiento. Figura 30. Anlisis por Software de Algor. El material con que se trabaj para el anlisis de la pieza es acero ASTM A36,enlaTabla14sepresentanalgunaspropiedadesqueelsoftware toma de referencias. 94 Tabla 14. Propiedades del Material Utilizado para Anlisis de Soporte.32 DescripcinCantidad Densidad Especifica 37855mKg Modulo de Elasticidad 2mN19995E7 Razn de Poisson29 . 0Tipo de ElementoBrick LosresultadosdelmodeladosepresentanenlaFigura30,estosse analizarn por la teora del mximo esfuerzo cortante33. PorTresscaelesfuerzoesdePa710 * 634 . 5 = dadoqueesunanlisis esttico se determin que multiplicando este valor por un factor de 25% se tiene el esfuerzo a carga dinmica. 25 . 1 *.practicoySS F= 9 . 225 . 1 * 34 . 56207. = =MPaMPaS F 5.6.1.16Resultados Obtenidos por Ansys La carga total es de 4000N, esta se reparte por el nmero de brazos del soporte,porconsiguienteseobtuvoquelafuerzaaplicadaenlos extremos es de 1333.33N. 32 BEER, and E, R. JOHNSTON. Mecnica de Materiales. 2 edicin Mxico: Editorial McGraw Hill 1992. Pg.554. 33 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, 1999. Pg.296-297. 95 Figura 31. Anlisis del soporte Por software de Ansys 8.0. Como se muestra en la Figura 31 el esfuerzo mnimo se present en el soportedondedescansalapoleayelmximoesfuerzoenlabase circulardondeseaplicelcordndesoldadura.Esaconsejablequeal mecanizar, se realicen radios de entalle para evitar la concentracin de esfuerzos en esta zona. Losanlisisquesepresentaronenelsoftwarealmodelarelsoporte tomanvalorespequeossiescomparadoconellimiteelsticodel material, en este caso se tiene un esfuerzo mximo de. 10 * 346 . 37Pa 96 Tabla 15. Propiedades del Material Utilizado en el Anlisis del Soporte en Ansys.34 PROPIEDADES (Acero AISI 1020) VALORES Modulo de ElasticidadMPa 8 . 206Razn de Poisson28 . 0Densidad Relativa 37800mKg Limite Elstico a TensinMPa 207Limite Elstico a CompresinMPa 207Resistencia Mxima a TensinMPa 379 EnlaTabla15seespecificanlaspropiedadesqueelsoftwarerequiere para el anlisis, el estudio por Ansys Workbench mostr como resultado unesfuerzomximodePa710 * 346 . 3 = ,estevalorsemultiplicaporel factor dinmico para calcular el factor de seguridad: 25 . 1 *.practicoySS F= 9 . 425 . 1 * 46 . 33207=MPaMPa 5.6.1.17Desplazamiento en la componente Z Losdesplazamientosocurrencuandoseaplicanlascargasalaspiezas analizadas. Las fibras de la pieza se comportan elsticamente cuando las cargas son bajas y al aplicar cargas altas el desplazamiento es mayor y lapiezasecomportaplsticamente.Lageometradelapiezaes 34 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Pg. 994, 998 97 importante al modelar el soporte en el software como se muestra en la Figura 32, el desplazamiento presentado fue demm 000879 . 0 , multiplicado este valor por el factor dinmico, se tiene que el desplazamiento fue de . 0011 . 0 mm . Figura 32. Anlisis Desplazamiento en la Componente Z. 5.6.1.18Deformacin del Sistema Lamximadeformacindelsistemasepresentenlazonadondese encuentran los vstagos y los resortes como se observa en la Figura 33, ladeformacintotaldelsistemaesdemm 28 . 1 ,multiplicadoestevalor por el factor de carga dinmica se tiene una deformacindemm 6 . 1 este valorespequeocomparadoconeldesplazamientorealqueesde 30mm. 98 Figura 33. Deformacin Total de Soporte. 5.6.1.19Caja rodamiento lineal Consisteenunapiezadondesealojarunrodamientolinealeste elemento ir soldada a los extremos del soporte de vibraci