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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA MAQUINA PARA
FABRICACION DE HELICES DE TORNILLO DE
DIAMETROS 200mm HASTA 900mm
EDSON JOSIMAR RINCÓN CAÑÓN
CAMILO ZEA AVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2019
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA MAQUINA PARA
FABRICACION DE HELICES DE TORNILLO DE DIAMETROS
200mm HASTA 900mm
EDSON JOSIMAR RINCÓN CAÑÓN
CAMILO ZEA AVILA
PROYECTO DE INGENIERIA MECANICA
Tutor: Ing. Mauricio González Colmenares
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2019
Nota de aceptación
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____________________________________
____________________________________
___________________________________
Tutor
___________________________________
Jurado
___________________________________
Jurado
Bogotá julio de 2019
1
Contenido INDICE DE ECUACIONES ............................................................................................................. 2
INDICE DE FIGURAS .................................................................................................................... 2
RESUMEN ....................................................................................................................................... 5
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 6
1. PROBLEMÁTICA ...................................................................................................................... 9
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................. 9
1.2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. 12
1.3. OBJETIVOS .................................................................................................................... 13
1.3.1. Objetivo General .................................................................................................. 13
1.3.2. Objetivos Específicos ............................................................................................ 13
2. MARCO TEORICO .................................................................................................................. 14
2.1. ANTECEDENTES ............................................................................................................ 14
2.2. MARCO CONCEPTUAL. ................................................................................................. 17
3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA MAQUINA PARA FABRICACION DE HELICES ..................... 35
4. PROCEDIMIENTO .................................................................................................................. 48
4.1. METODOLOGÍA ............................................................................................................ 48
5. INGENIERIA CONCEPTUAL .................................................................................................... 50
5.1. Diseño conceptual .................................................................................................... 50
5.2. Modelo de caja negra ............................................................................................... 50
5.3. Modelo de caja gris .................................................................................................. 51
5.4. Desarrollo despliegue de la función de calidad ....................................................... 52
6. INGENIERIA ........................................................................................................................... 54
6.1. FASE DE DISEÑO ........................................................................................................... 54
6.1.1. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ............................................................................. 57
6.1.2. CRITERIOS DE EVALUACIÓN ................................................................................. 58
6.1.3. SIMULACION ANSYS. ............................................................................................ 58
6.1.4. SELECCIÓN DE MECANISMO ................................................................................ 68
6.1.5. SELECCIÓN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA ........................................ 68
6.2. INGENIERIA BASICA ...................................................................................................... 70
6.3. INGENIERÍA DE DETALLE .............................................................................................. 83
2
6.3.1. DISEÑO DETALLADO ............................................................................................. 83
6.3.2. MODELACION Y PLANOS ...................................................................................... 88
CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 93
RECOMENDACIONES .................................................................................................................... 94
AUTORES: ..................................................................................................................................... 95
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 96
ANEXOS ........................................................................................................................................ 97
INDICE DE ECUACIONES
Ecuacion 1. Deformación unitaria. .......................................................................................... 33
Ecuacion 2. Ecuación de presión. ............................................................................................ 70
Ecuacion 3. Área de un círculo. ............................................................................................... 70
Ecuacion 4. Volumen de cilindro. ............................................................................................ 72
Ecuacion 5. Velocidad lineal. ................................................................................................... 72
Ecuacion 6. Caudal. .................................................................................................................. 73
Ecuacion 7. Esfuerzo cortante. ................................................................................................ 75
Ecuacion 8. Esfuerzo admisible. .............................................................................................. 78
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Proceso de fabricación artesanal. .............................................................................. 9
Figura 2. Máquina de fabricación de hélices. ......................................................................... 11
Figura 3. Prensa artesanal. ...................................................................................................... 15
Figura 4. Tornillo sin fin. .......................................................................................................... 18
Figura 5. Sentido del tornillo. .................................................................................................. 19
Figura 6. Helicoides. ................................................................................................................ 20
Figura 7. Helicoidal de listón. .................................................................................................. 20
Figura 8. Tipos de listón. ......................................................................................................... 20
Figura 9. Hélices de paso corto. .............................................................................................. 21
Figura 10. Hélices cónicas. .................................................................................................... 21
Figura 11. Hélices de diámetro escalonado. ......................................................................... 22
Figura 12. Hélices de paso variable. ...................................................................................... 22
Figura 13. Hélice de cono. ..................................................................................................... 22
Figura 14. Hélice de doble espiral. ........................................................................................ 23
3
Figura 15. Hélice de doble espiral y paso corto. ................................................................... 23
Figura 16. Hélices de listón múltiple. .................................................................................... 24
Figura 17. Hélice con soldadura continua. ............................................................................ 24
Figura 18. Diagrama esfuerzo vs deformación. .................................................................... 27
Figura 19. Palanca. ................................................................................................................ 27
Figura 20. Polea ..................................................................................................................... 28
Figura 21. Tornillo sin fin. ...................................................................................................... 29
Figura 22. Tornillo tuerca ...................................................................................................... 29
Figura 23. Biela manivela ...................................................................................................... 30
Figura 24. Leva ...................................................................................................................... 31
Figura 25. Actuador hidráulico. ............................................................................................. 32
Figura 26. Ecuación de Bernoulli. .......................................................................................... 33
Figura 27. Maquina hidráulica horizontal. ............................................................................ 36
Figura 28. Desventajas maquina hidráulica horizontal. ........................................................ 37
Figura 29. Maquina dobladora multipaso. ............................................................................ 38
Figura 30. Maquina dobladora multipaso ventajas. ............................................................. 39
Figura 31. Troquel de paso grande. ...................................................................................... 40
Figura 32. Prensa hidráulica. ................................................................................................. 41
Figura 33. Troquel de prensa hidráulica. .............................................................................. 42
Figura 34. Parte inferior del troquel. .................................................................................... 43
Figura 35. Maquina hidráulica multi posición. ...................................................................... 44
Figura 36. Maquina dobladora multi posición activación. .................................................... 45
Figura 37. Maquina Roladora. ............................................................................................... 46
Figura 38. Maquina Roladora ventajas. ................................................................................ 47
Figura 39. Modelo de caja negra. .......................................................................................... 51
Figura 40. Modelo de caja gris. ............................................................................................. 52
Figura 41. Casa de la calidad. ................................................................................................ 53
Figura 42. Dimensiones hélices. ............................................................................................ 56
Figura 43. Dimensiones ejes. ................................................................................................ 57
Figura 44. Hélice diámetro 900x3/8” de espesor. ................................................................ 59
Figura 45. Hélice diámetro 800x3/8” de espesor. ................................................................ 60
Figura 46. Hélice diámetro 700x5/16” de espesor. .............................................................. 61
Figura 47. Hélice diámetro 600x5/16” de espesor. .............................................................. 62
Figura 48. Hélice diámetro 500x1/4” de espesor. ................................................................ 63
Figura 49. Hélice diámetro 400x1/4” de espesor. ................................................................ 64
Figura 50. Hélice diámetro 350x1/4” de espesor. ................................................................ 65
Figura 51. Hélice diámetro 300x1/4” de espesor. ................................................................ 66
Figura 52. Hélice diámetro 250x1/4” de espesor. ................................................................ 67
Figura 53. Simulación mordaza móvil ANSYS. ....................................................................... 75
Figura 54. Diagrama de esfuerzo cortante. ........................................................................... 77
Figura 55. Esfuerzo columna ................................................................................................. 79
Figura 56. Estructura. ............................................................................................................ 80
4
Figura 57. Simulación ANSYS acople ..................................................................................... 81
Figura 58. Sujetador. ............................................................................................................. 82
Figura 59. Mordazas. ............................................................................................................. 84
Figura 60. Mordazas fija y móvil. .......................................................................................... 85
Figura 61. Maquina dobladora. ............................................................................................. 86
Figura 62. Acople. .................................................................................................................. 87
Figura 63. Tornillería. ............................................................................................................ 88
Figura 64. Modelo final ......................................................................................................... 89
Figura 65. Plano general........................................................................................................ 90
Figura 66. Listado de materiales ........................................................................................... 91
Figura 67. Plano estructura ................................................................................................... 92
5
RESUMEN
Los estudiantes de la universidad Distrital, actualmente en la etapa productiva,
pueden evidenciar carencias que existen en el mercado a raíz de la falta de
soluciones de ingenieria en ciertos campos, es un ejemplo, que actualmente Edson
Rincón, se desempeña como diseñador en una empresa de diseño y fabricación de
plantas de extracción de aceite de palma, donde parte de los equipos que se
instalan, son tornillos de avance, al revisar en el mercado alternativas para la
mejora de la fabricación de hélices, se puede ver que estas son supremamente
limitadas, por lo que los proponentes de este proyecto, deciden realizar el diseño
de una máquina para la elaboración de los mismos.
Este documento recopila el proceso mediante el cual se diseñó y se realizó la
simulación del modelo de una máquina para fabricación de hélices de tornillo de
diámetros 200mm hasta 900mm para la empresa TECNINTEGRAL S.A.S.
Así, se puede evidenciar en el proyecto las escazas alternativas que existen en el
mercado y la carencia de practicidad de dichas alternativas, por lo cual, no solo se
propone diseñar una máquina que garantice su funcionamiento, sino que, esta sea
más eficaz que las existentes y proporciones varias alternativas y facilidades que se
adaptan a la empresa.
6
INTRODUCCIÓN
Los transportadores de tornillo sin fin son máquinas de transporte continuo con el
órgano de tracción rígido que se emplean para la manipulación de residuos
orgánicos en el tratamiento de aguas, transporte de sólidos en infinidad de
industrias, teniendo aplicaciones de toda índole. Este equipo está diseñado para
realizar el transporte de material mediante una espiral basado en el principio de
Arquímedes.
La industria del transporte de materiales, es limitada, puesto que se enfoca en un
proceso industrial de segundo orden que no se entrega al público, de la misma
forma la fabricación de sus componentes, está limitado y desarrollado
independientemente por cada fabricante, por lo cual existen variedades en la forma
de fabricación y los procesos de los mismos, por esta razón en la industria, aunque
existen normas que estandarizan sus modelos y garantizan su calidad, cada fabrica
se encarga de realizar sus procesos de manera independiente.
TECNINTEGRAL S.A.S., fue constituida en Bogotá como una compañía de ingeniería
en 1979 y desde entonces se ha posicionado como la empresa líder en
Latinoamérica en diseño, fabricación, montaje y puesta en marcha de plantas de
extracción de aceite de palma.
Como política de calidad están comprometidos con la entrega a tiempo de
proyectos, equipos, repuestos, servicios e información que garanticen la
satisfacción de sus clientes; con la eliminación de reprocesos, la planeación y
coordinación de actividades en la cadena productiva, con el cumplimiento de la
legislación Pertinente y con el mejoramiento continuo y aseguramiento de sus
procesos basado en el sistema de gestión de la calidad ISO 9001:2008.
7
Dentro de sus líneas de producción se dedica a la fabricación de transportadores de
tornillo sin fin, por esta razón, la empresa está interesada en fabricar una máquina
que optimice la fabricación de hélices para tornillo sinfín y alcance los estándares
de calidad que satisfagan las necesidades, mejore la seguridad, y los tiempos de
fabricación.
TECNINTEGRAL S.A.S, es una empresa que desea estar a la vanguardia de la
tecnología, y se encuentra en una constante búsqueda de la mejora continua, por lo
tanto, al realizar una revisión de los procesos, se evidenció que existen falencias en
la fabricación de tornillos transportadores sin-fin en acero, debido a que las hélices
para el avance de materiales se fabrica de forma manual, lo cual hace el proceso
supremamente difícil para sus empleados, y no garantiza su calidad, por lo cual,
mediante el diseño y la simulación de un máquina, se desea que la fabricación de
tornillos sin-fin se haga de una manera más eficaz y eficiente, que satisfaga los
niveles de producción, estándares de calidad de la empresa y sobre todo disminuya
las horas hombre que ocupa actualmente para mejorar los procesos de la empresa
y hacerlos más eficientes, de la misma forma reducir costos de fabricación.
Para este trabajo, se inicia buscando el mecanismo que cumpla con las necesidades
de fabricación de la empresa, donde se encuentra que estas máquinas se fabrican
en otros países, específicamente europeos, por lo cual su costo es elevado y él envió
tiene que ir por cuenta de la empresa, lo que acrecentar su valor ampliamente, por
otro lado, estos mecanismos generalmente sirven para una sola dimensión de
hélice, lo cual no justifica el costo beneficio para la empresa, teniendo en cuenta
que TECNINTEGRAL S.A.S. cuenta con instalaciones aptas y personal calificado, se
decide realizar el diseño de una opción que sea funcional según los requerimientos
y estándares de calidad de la empresa y se garantice su buen funcionamiento con
una simulación de su funcionamiento en software.
8
Debido a que la empresa tiene una planta de producción y un área de diseño, y por
iniciativa de los estudiantes, en aras de realizar un aporte a la industria nacional, se
propone diseñar y simular una máquina que mejore los procesos y la calidad
dentro de la empresa, y a futuro, proponer la fabricación, pruebas y puesta en
marcha, y esta, llegue a ser una alternativa para mejorar los procesos de
TECNINTEGRAL S.A.S. y a futuro sea una alternativa para la industria.
9
1. PROBLEMÁTICA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente en TECNINTEGRAL S.A.S. se lleva a cabo un proceso de fabricación de
hélices, el cual consiste en cortar la lámina de espesor específico para cada una
según el tamaño del tornillo que se va a fabricar, posteriormente, se suelda a un
extremo de un tubo estándar que va a funcionar como el eje del tornillo como se
muestra en la imagen 1 y se procede a estirar por medio de herramientas básicas la
hélice a lo largo del tubo dándole forma al tornillo y simultáneamente soldando la
hélice al tornillo, lo que hace que el esfuerzo de los operarios sea muy alto, se
pierda mucho tiempo hora hombre en este proceso y no se garantice las
dimensiones y calidad de las piezas.
Figura 1. Proceso de fabricación artesanal.
10
Al evidenciar las faltas que existen en el ámbito laboral, se decide, proponer una
máquina para la mejora de procesos, así, consultando con los diferentes entes de la
empresa, se ha llegado a la conclusión de que el proceso de fabricación de hélices
para transportadores de tornillo sinfín actualmente usado no es eficiente, debido a
que es artesanal, no hay estandarización del proceso, y consume demasiadas horas
hombre.
Al revisar en el mercado, las máquinas para la fabricación de hélices no son
accesibles, por lo cual este proceso se ha venido realizando de manera manual por
parte de los operarios. Debido al modo en que se fabrican, no hay una
estandarización del proceso y del artículo fabricado, lo cual hace que en un mismo
tornillo sinfín dos hélices no sean iguales, lo que genera que cada máquina sea
diferente, por otro lado, el modo de su fabricación genera riesgos para el operario,
demasiado esfuerzo, y tiempo hombre muy elevados en la fabricación de cada
hélice, que se ve reflejado en cuellos de botella en la fabricación de la máquina.
Al verificar las ofertas en el mercado, se llega a la conclusión que la adquisición de
una máquina para este proceso es demasiado costosa, puesto que los fabricantes se
encuentran en Europa, y hay precauciones en cuanto a la puesta en marcha y
mantenimientos de la misma debido a la garantía y seguimiento que pueda
proporcionar una empresa localizada en el extranjero.
En vista de tal necesidad y a manera de realizar un aporte a la industria, los
estudiantes de la universidad distrital, propone a TECNINTEGRAL S.A.S el diseño de
dicha máquina, ya que esta empresa prefiere realizar la fabricación y desarrollo de
este tipo de dispositivos, y esto le permite obtener un producto que se acomode a
las necesidades específicas de la empresa, y así no tener que acomodarse a las
soluciones genéricas que se ofrecen en el mercado, además, este mecanismo, puede
abrir nuevos mercados a nivel nacional e internacional en cuanto a la producción
de la misma o soluciones de ingenieria.
11
En busca de mejorar el proceso TECNINTEGRAL S.A.S a estado interesado en
adquirir una máquina que realice el proceso de forma más precisa, de la misma
forma, estandarizar el proceso y sea más seguro y cómodo para las personas que se
encargan de la elaboración de un tornillo y mejore los tiempos de fabricación de las
mismos.
Actualmente en el mercado se encuentran diversas máquinas para la fabricación de
hélices (Figura 2), sin embargo, estas van enfocadas a un tornillo de dimensiones,
espesor o paso especifico, lo que necesitaría de varias piezas o mecanismos para su
funcionamiento, o maquinas fabricadas en otros países que hacen que sus precios
sean demasiado elevados para ver una retribución tangible dentro de la empresa
como para cambiar el proceso, por otro lado, la experiencia y suministros de la
empresa, facilitan el diseño y fabricación de una máquina de este tipo, cumpliendo
con los estándares de calidad y presentación, que se adapte a las necesidades
específicas de la empresa y genere nuevos retos para la empresa y la industria
nacional en general.
Figura 2. Máquina de fabricación de hélices.
12
1.2. JUSTIFICACIÓN
TECNINTEGRAL S.A.S, al ser una empresa líder en la fabricación de máquinas para
la extracción de aceite de palma , con estándares de calidad y seguridad, certificada
y en procesos de mejora continua, desea darle un estándar más alto al proceso de
fabricación de hélices para tornillos sinfín, por lo cual quiere fabricar una máquina
que garantice todos los ítems, agilice sus procesos y genere un valor agregado con
respecto a sus competidores y de la misma forma hacia sus estándares en su
proceso de mejora continua.
Los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas deben generar
soluciones prácticas, eficientes y eficaces a la industria colombiana, en pro del
crecimiento general de la industria. El deber como estudiantes de ingeniería
mecánica es involucrarse con el desarrollo de nuevas ciencias y conocimiento con
el fin de aportar nuevas herramientas para el avance de la misma.
Para esto, se debe realizar una investigación de los mecanismos ,más eficientes, que
puedan generar una solución para la fabricación de hélices para tornillo, que
cumplan con las necesidades de la empresa en este tema, debido a que la maquina
debe ser versátil, que cumpla con todas las dimensiones de tornillos que se desean
crear y las medidas finales que deben tener, por otro lado esta debe ser segura y
confiable y sobre todo, disminuya los tiempos de fabricación de cada uno de estos.
13
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo General
Diseñar y simular una máquina para fabricación de hélices de tornillo en acero
desde diámetro 200mm hasta diámetro 900mm que mejore el proceso en la
empresa TECNINTEGRAL S.A.S.
1.3.2. Objetivos Específicos
1. Buscar y analizar las diferentes opciones que hay en el mercado que
cumplan con los parámetros de diseño proporcionados por TECNINTEGRAL
S.A.S.
2. Diseñar todos los sistemas de trasmisión de potencia de la máquina.
3. Diseñar una máquina que satisfaga los parámetros de diseño, cumpliendo
los estándares de calidad y requerimientos ambientales.
4. Realizar los modelos 3D para la simulación y planos de fabricación de la
máquina.
5. Demostrar mediante simulaciones el correcto funcionamiento de la máquina
cumpliendo con los parámetros de diseño.
14
2. MARCO TEORICO
2.1. ANTECEDENTES
Dentro de la consulta realizada a los fabricantes de máquinas para la fabricación de
hélices, se pudo encontrar que estas son de precios muy elevados, debido a que a
nivel nacional no hay ningún productor, lo que hace que el costo de transporte se
eleve, dentro de las cotizaciones realizadas a diferentes empresas, todas
encontradas en Europa, se pudo evidenciar el alto costo, por diferentes razones,
como cambio de moneda (precios en euros), su punto de entrega es en Europa, y al
sumarle un costo de transporte y embalaje, más importación y nacionalización,
acrecienta ampliamente dicho costo, por otro lado, estas máquinas fabricadas a
nivel nacional son de fabricación artesanal y exclusivos de cada empresa y en su
mayoría de fabricación manual.
Para el diseño de esta máquina se tiene como objetivo que sea lo más funcional que
sea posible, por lo tanto se debe diseñar y calcular de tal forma que se pueda usar
en el rango de dimensiones que maneja la empresa dentro de su portafolio, por
otro lado, debe fabricar la mayor cantidad de hélices por cada ejecución y debe
garantizar el avance para cada una de las medidas de las hélices a fabricar,
garantizando su funcionalidad, estandarización y calidad.
Dentro de la investigación realizada, se pudo constatar que las empresas que
fabrican este tipo de productos son escazas, lo que hace que pedir una de estas sea
muy cara, otro nicho de este mercado es fabricas encargadas de fabricar las hélices
o los tornillos, lo que hace que por temas de competencia o patentes no compartan
la información de sus diseños o maquinas en general. Otro de los problemas
encontrados es que las maquinas también son de fabricación manual, lo cual las
15
hace inseguras o que no cumplan con estándares de calidad que desea cumplir una
empresa certificada.
En los procesos encontrados para la fabricación de este tipo de máquinas, se
pueden encontrar tornos de avance, prensas o mordazas de triple accionamiento
hidráulico, dobladoras de tipo rotacional, accionamientos hidráulicos a través de
tenazas que doblan las hélices prefabricadas en avances determinados, y
dobladoras hidráulicas entre otras, la mayoría de estas hechas de forma también
artesanal (figura 3) y exclusivas de empresas que las fabricaron para su uso.
Figura 3. Prensa artesanal.
En estos dispositivos, se pueden ver mecanismos hidráulicos como los más usados,
debido a que facilita el doblez de distintos tipos de láminas y sobre todo de
diferentes espesores lo cual garantiza la versatilidad de la máquina, por otro lado,
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los mecanismos más prácticos son los de tenaza o prensa, puesto que hacen los
dobleces de forma estándar y garantizan la repetitividad del proceso.
17
2.2. MARCO CONCEPTUAL.
Para este tipo de proceso, se debe garantizar un avance estándar en cada hélice,
además de que se va a fabricar en láminas de diferentes espesores, diferentes
avances, diferentes materiales y tamaños, lo cual genera las observaciones de
entrada para el proceso.
Para garantizar estas características en el diseño y fabricación de cada hélice se
debe tener en cuenta diferentes factores, dentro de los que se encuentran, el
material, el cual determina la carga y el tipo de tornillo que se necesita en cada
proyecto, y el material en el cual se va a fabricar la máquina, debido a que este
altera las anteriores, además que altera la velocidad de funcionamiento del tornillo
y de la misma forma el volumen de carga que maneja.
Los alimentadores de hélices están diseñados para regular el flujo de un material
almacenado en una tolva o depósito. La alimentación por lo regular se inunda de
material (95% de carga de artesa). Uno o más hélices de paso variable o cónico
transportan el material a la capacidad requerida. Para controlar el flujo del
material, los alimentadores hélices normalmente tienen casquillos o placas curvas
colocadas entre la alimentación y la descarga. Como el paso o el diámetro de hélices
se incrementan después del casquillo, la carga de artesa cae a los niveles normales.
Cuando se manejan materiales muy fluidos se deben hacer ciertas modificaciones
en el diseño del alimentador para poder controlar el flujo del material a lo largo del
helicoidal. Estas modificaciones son entre otras, casquillos de mayor longitud y
helicoidales de paso corto.
18
Figura 4. Tornillo sin fin.
DISPOSICIÓN DE UN TRANSPORTADOR DE HÉLICES
El tamaño de un transportador de hélices no sólo está determinado por la
capacidad requerida, sino también por el tamaño y la proporción de las partículas
del material que están siendo manejadas. El tamaño de una partícula es la máxima
dimensión que tiene. Si una partícula tiene una dimensión más grande que su
sección transversal, esa dimensión mayor determinará el tamaño de la partícula.
Las características del material y de la partícula también afectan. Algunos
materiales tienden a formar partículas grandes y duras que no se rompen al
moverse dentro del transportador. En ese caso deben tomarse medidas para
manejar dichas partículas. Otros materiales pueden tener partículas relativamente
duras, pero que pueden reducir su tamaño al moverse a través del transportador.
Otros materiales tienen partículas que se rompen fácilmente en el transportador de
hélices por lo que estas partículas no imponen limitaciones.
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HÉLICES DE MANO DERECHA E IZQUIERDA:
Un transportador de hélices puede ser derecho o izquierdo dependiendo de la
forma de la hélice. El sentido se determina fácilmente observando el extremo del
helicoidal. La figura de la izquierda tiene la hélice enrollada al tubo en el sentido
contrario a las manecillas del reloj o hacia la izquierda. Similar a las cuerdas
izquierdas de un tornillo. Esto se denomina helicoidal mano izquierda.
Figura 5. Sentido del tornillo.
HÉLICES:
Los helicoides seccionales son hélices individuales formadas en placa de acero al
diámetro y paso deseados, listos para instalarse en el tubo. Las hélices se sueldan
para formar un helicoidal continuo. Se pueden suministrar en diferentes
modificaciones como distintos materiales, diferentes espesores de hélice, diversos
diámetros o pasos. El helicoidal seccional tiene el mismo espesor a lo largo de la
sección transversal.
20
Figura 6. Helicoides.
Las hélices de listón consisten en helicoidales seccionales soldados para formar una
hélice continua. Los helicoidales se fijan al tubo mediante bases soporte. Los
extremos del tubo tienen bujes internos y barrenos para recibir ejes de
acoplamiento, ejes motrices y ejes terminales. Se utilizan para transportar
substancias pegajosas o viscosas o en donde los materiales tiendan a adherirse al
helicoidal yal tubo.
Figura 7. Helicoidal de listón.
Figura 8. Tipos de listón.
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Las hélices con paso corto son de construcción estándar excepto que tiene el paso
reducido. Se recomiendan para usarse en transportadores con inclinación de 20° o
más. Se usan comúnmente como helicoidales de alimentadores y para controlar la
carga en el resto del transportador, cuando el paso corto se utiliza debajo de la
alimentación.
Figura 9. Hélices de paso corto.
Las hélices cónicas se utilizan frecuentemente como alimentadores para descargar
materiales con terrones desmenuzables de depósitos o tolvas y también para
mover uniformemente el material a través de la longitud total de la alimentación.
Figura 10. Hélices cónicas.
Las hélices de diámetro escalonado consisten en helicoidales de diferente diámetro
montados uno a continuación del otro en un tubo o eje. Se utilizan frecuentemente
como helicoidales alimentadores con el diámetro más pequeño localizado debajo
de los depósitos o tolvas para regular el flujo del material.
22
Figura 11. Hélices de diámetro escalonado.
Las hélices de paso variable consisten en helicoidales sencillos o un grupo de ellos
cuyo paso se va incrementando con respecto al helicoidal o grupo precedente. Se
utilizan como helicoidales de alimentadores para mover uniformemente materiales
muy fluidos a través de la longitud total de la alimentación.
Figura 12. Hélices de paso variable.
La hélice de cono se utiliza para descargar uniformemente el material de un
depósito o de una tolva. El paso constante reduce el puenteo del material. Requiere
menos potencia durante el arranque.
Figura 13. Hélice de cono.
23
Las hélices de doble espiral de paso estándar permiten que ciertos materiales
fluyan y se descarguen suavemente. Se puede colocar un helicoidal doble antes y
después del colgante para que el flujo pase suavemente por ese punto.
Figura 14. Hélice de doble espiral.
Las hélices de doble espiral y paso corto aseguran una alimentación más precisa, y
una mejor regulación del flujo en los alimentadores helicoidales al controlar
efectivamente materiales muy fluidos.
Figura 15. Hélice de doble espiral y paso corto.
Las hélices de listón múltiple. Este tipo de helicoidal consta de dos o más listones
de diferente diámetro y de lados opuestos, montados uno dentro del otro en el
mismo tubo o eje con soportes rígidos. El material se mueve hacia adelante por el
efecto de un helicoidal y hacia atrás por efecto del otro, mezclando efectivamente el
material. (Se fabrica bajo las especificaciones del cliente).
24
Figura 16. Hélices de listón múltiple.
Las hélices con soldadura continua pueden tenerla en uno o en los dos lados. La
soldadura continua se coloca para evitar que el helicoidal se desprenda del tubo
bajo condiciones extremas de carga o por cuestiones sanitarias al evitar huecos
entre el tubo y el helicoidal en donde pudiera meterse el producto.
Figura 17. Hélice con soldadura continua.
DEFORMACIÓN PLÁSTICA
Se habla de una deformación plástica cuando un esfuerzo aplicado a un material es
tal que al retirar el esfuerzo el material ya no es capaz de volver a sus dimensiones
originales. Un esfuerzo puede ser definido como una presión, es decir, una fuerza
aplicada en un área en específico, pero se convierte en un esfuerzo cuando dicha
presión es relacionada con un porcentaje de deformación. La deformación es
simplemente la resta entre las dimensiones originales y las nuevas dimensiones
que adquiere el material.
25
Cuando al retirar un esfuerzo el material permanece con unas dimensiones
distintas a las originales, se dice que el material se deformó plásticamente. La
deformación plástica se alcanza cuando la fuerza aplicada resulta tan grande que,
internamente, los átomos o moléculas tuvieron que cambiar su posición para
compensar dicha fuerza.
Endurecimiento por deformación plástica en frío. Recuperación, Recristalización y
Crecimiento del grano.
El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del
cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado
plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frío,
debido a que la deformación se da a una temperatura “fría” relativa a la
temperatura de fusión absoluta del metal.
PROPIEDADES MECÁNICAS: Existen diferentes tipos de fuerzas y esfuerzos, que se hallan al momento de lidiar
con las propiedades mecánicas de los materiales. En general, se definen los
esfuerzos como la fuerza que actúa sobre una unidad de área definida y la
deformación se define como el cambio en las dimensiones por unidad de longitud.
Cuando se discute sobre esfuerzo y deformación, es útil pensar en el esfuerzo como
la causa y la deformación como la consecuencia. Por lo regular, las propiedades de
resistencia, elasticidad y ductilidad de los metales, plásticos y otros materiales se
suelen determinar a través de una prueba tensionaste, donde una muestra del
material es monitoreada durante la prueba, al tiempo que se registran la carga
soportada y el valor de la deformación para dicha carga.
Módulo de elasticidad o módulo de Young se representado gráficamente como la
pendiente de la curva de esfuerzo contra deformación en la zona elástica del
26
material, este valor se relaciona directamente con la energía de los enlaces, por lo
tanto, aquellos elementos con un elevado punto de fusión tendrán en general un
módulo de elasticidad elevado. En los elementos metálicos, el módulo de
elasticidad es considerada como una micro propiedad insensible, por el hecho de
que depende enteramente del tipo de enlace entre los átomos del material y no de
otras características como el tamaño del grano. En la figura 18 se observa con la
letra E.
Resistencia a la tensión: Se considera que el punto máximo de la curva esfuerzo-
deformación es la resistencia ultima a la tensión, después de lograr el máximo de la
curva se genera un decremento notable del diámetro de la barra analizada. Así la
carga aplicada actúa sobre un área menor, y el esfuerzo continúa aumentando hasta
la ruptura, se observa en la figura 18 que después de lograr el máximo esfuerzo, se
presenta una disminución considerable del esfuerzo soportado, debido a la
inminente ruptura.
Límite de fluencia: Esta propiedad es observable en la región de la gráfica
esfuerzo-deformación donde existe un gran incremento de la deformación con poco
o ningún aumento del esfuerzo, figura 18. La propiedad evidencia el alargamiento
del material en gran medida, en forma plástica y permanente, se observa además
que no existe un punto o valor de fluencia determinado. Con el fin de comprender
mejor el desempeño del material analizado se determina este punto a través de un
método de compensación, donde se traza una línea recta paralela a la porción recta
del diagrama esfuerzo-deformación, a la derecha en una cantidad que en general es
el 0.20% de la deformación unitaria.
27
Figura 18. Diagrama esfuerzo vs deformación.
MECANISMOS DE TRANSMISIÓN LINEAL
Palanca: Es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo. En un punto de
la barra se aplica una fuerza, (F), con el fin de vencer una resistencia, (R), que actúa
en otro punto de la barra.
Figura 19. Palanca.
28
Polea fija: Es una rueda ranurada que gira en torno a un eje sujeto a una superficie
fija. Por la ranura se hace pasar una cuerda, cadena o correa que permite vencer, de
forma cómoda, una resistencia, (R), aplicando una fuerza, (F).
Figura 20. Polea
Polea móvil: Es un conjunto de dos poleas, una de las cuales se encuentra fija,
mientras que la otra puede desplazarse linealmente.
Polipasto: Es un tipo especial de montaje de poleas fijas y móviles. Consta de un
número par de poleas, la mitad de las cuales son fijas, y la otra mitad móviles.
Tornillo sin fin: Sistema formado por un tornillo que se engrana a una rueda
dentada helicoidal, cuyo eje es perpendicular al eje del tornillo. Por cada vuelta del
tornillo sin fin acoplado al eje motriz, la rueda dentada acoplada al eje de arrastre
gira un diente. Este sistema permite una gran reducción de la velocidad.
29
Figura 21. Tornillo sin fin.
Sistema piñón-cremallera: Cuando la rueda dentada gira, la cremallera se
desplaza con movimiento rectilíneo. El mecanismo permite transformar el
movimiento rectilíneo de la cremallera en un movimiento circular del piñón. Es por
tanto un mecanismo reversible.
Sistema tornillo-tuerca: Si el tornillo gira y se mantiene fija la orientación de la
tuerca, ésta avanza con movimiento rectilíneo por el eje roscado; y viceversa.
Figura 22. Tornillo tuerca
30
Conjunto manivela-torno: La manivela es una barra unida al eje al que hace girar.
La fuerza necesaria para que gire el eje es menor que la que habría que aplicarle
directamente. El mecanismo en que se basa este dispositivo es el torno, que consta
de un tambor que gira alrededor de su eje con el fin de arrastrar un objeto.
Conjunto biela-manivela: Al girar la rueda, la manivela trasmite el movimiento
circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén. Este mecanismo
también funciona a la inversa, es decir transforma un movimiento rectilíneo
alternativo o de vaivén en un movimiento de rotación.
Figura 23. Biela manivela
Cigüeñal: Si se colocan una serie de bielas en un mismo eje acodado, cada uno de
los codos del eje hace las veces de manivela, y el conjunto se denomina cigüeñal. El
cigüeñal transforma el movimiento de rotación de un eje en los movimientos
alternativos desacompasados de las diferentes bielas. También puede convertir el
movimiento de vaivén de las bielas en un movimiento de rotación del eje. Este
mecanismo se emplea en los motores de combustión.
Leva y excéntrica: La leva es una rueda con salientes que empuja un seguidor a su
paso. La leva transforma el movimiento de rotación de la rueda en un movimiento
lineal alternativo del seguidor o varilla, que recorre el perfil de la leva cuando esta
gira. Un conjunto de levas colocadas sobre el mismo eje se denomina árbol de levas.
Se utiliza en los motores de combustión para regular automáticamente la apertura
y cierre de las válvulas.
31
Figura 24. Leva
La excéntrica: es una rueda cuyo eje de giro no coincide con el centro de la
circunferencia. Transforma el movimiento de rotación de la rueda en un
movimiento lineal alternativo de la varilla.
Prensa mecánica
La prensa mecánica o prensadora es una máquina que acumula energía mediante
un volante de inercia y la transmite bien mecánicamente (prensa de revolución
total) o neumáticamente (prensa de revolución parcial) a un troquel o matriz
mediante un sistema de biela-manivela.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA DE INYECCIÓN.
Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es
proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que
provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión
hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del
origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”.
32
Figura 25. Actuador hidráulico.
PRINCIPIO DE BERNOULLI
El fluido hidráulico en un sistema contiene energía en dos formas: energía cinética
en virtud del peso y de la velocidad y energía potencial en forma de presión. Daniel
Bernoulli, un científico suizo demostró que, en un sistema con flujos constantes, la
energía es transformada cada vez que se modifica el área transversal del tubo.
El principio de Bernoulli dice que la suma de energías potencial y cinética, en los
varios puntos del sistema, es constante, si el flujo sea constante. Cuando el
diámetro de un tubo se modifica, la velocidad también se modifica.
La energía cinética aumenta o disminuye. En tanto, la energía no puede ser creada
ni tampoco destruida. Enseguida, el cambio en la energía cinética necesita ser
compensado por la reducción o aumento de la presión.
Tubería
La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que, si
reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del
fluido que pasa por ella, se reducirá la presión.
33
Figura 26. Ecuación de Bernoulli.
FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA HIDRÁULICA
Una bomba hidráulica es una máquina capaz de transformar la energía con la que
funciona (generalmente mecánica o eléctrica) en energía del fluido que intenta
mover. Dicho de otra forma, suministra al fluido el caudal y la presión necesaria
para cumplir determinada función.
Deformación simple
Se puede definir como la relación existente entre la deformación total y la longitud
inicial del elemento, la cual permitirá determinar la deformación del elemento
sometido a esfuerzos de tensión o compresión axial.
Entonces, la fórmula de la deformación unitaria lo vemos en la ecuación 1:
Ecuacion 1. Deformación unitaria.
34
ε: Deformación Unitaria
δ: Deformación Total
L: Longitud inicial
35
3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA MAQUINA PARA FABRICACION DE HELICES
3.1. PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
Al revisar el mercado las alternativas que cumplen con los requerimientos técnicos
de TECNINTEGRAL S.A.S., en su mayoría se encontraron empresas en el exterior, de
las cuales, solo hubo respuesta de dos europeas, debido a que, dentro de sus áreas
de negocio, no tienen en cuenta el mercado latino, debido a que afectan factores
como el cambio de moneda, la maquina la entregan en sus países de despacho en
Europa y los costos de legalización e importación acrecientan su precio
considerablemente.
En los catálogos enviados por el vendedor, las maquinas son de un solo avance o
medida, por lo que se tendría que comprar varias prensas o troqueles, por otro
lado, para hacer valer garantías o tiempos de prueba, se tendría que pagar montos
extras por la visita técnica y de la misma forma la compra de repuestos acarrearía
otros inconvenientes de importación.
Por otro lado, existen máquinas de fabricación artesanal, que son hechas por cada
fabricante de hélices, de las cuales no se encuentra información debido a que no es
conveniente entregarla a su competencia, y que también en su mayoría solo son de
un paso, o se tornan inseguras para los operarios.
La información de dichas maquinas es escasa, debido a que las compañías
encargadas de la fabricación de este tipo de máquinas son pocas o se dedican a
otros negocios, además, como menciona el documento, las empresas que fabrican
sus propias maquinas no les conviene entregar este tipo de ingenieria.
36
Dentro de las alternativas encontradas, tanto artesanales como comerciales, se
puede evidenciar varias coincidencias dentro de la fabricación de las maquinas,
analizando los antecedentes, a los otros fabricantes y lo que se ofrece en el
mercado, se han planteado las siguientes alternativas:
3.1.1. MAQUINA HIDRAULICA HORIZONTAL.
FUNCIONAMIENTO:
Fabricación: Artesanal.
Entrada de potencia: Bomba y Cilindro Hidráulico.
Fijación: por medio de mordazas atornilladas.
Ejecución: Se fija el material a las mordazas mediante los tornillos. Cuando el
operario da la orden, la mordaza móvil se desplaza el paso del tornillo mientras la
mordaza fija sostiene el otro extremo de la hélice.
Figura 27. Maquina hidráulica horizontal.
37
VENTAJAS:
1. Fácil manipulación.
2. Fácil fabricación (bajo costo).
3. Homogenización del producto.
4. Tamaño reducido, fácil transporte.
5. Versatilidad.
6. Entradas estándar (energía 220V).
7. Mantenimiento simple.
8. Segura.
9. Espesores considerables.
Figura 28. Desventajas maquina hidráulica horizontal.
DESVENTAJAS:
1. Una sola hélice por operación.
2. No existe a nivel comercial.
38
3.1.2. MAQUINA DOBLADORA MULTI-PASO.
FUNCIONAMIENTO:
Fabricación: Comercial.
Entrada de potencia: Motor eléctrico y biela.
Fijación: sin fijación.
Ejecución: ubicar el troquel requerido para el paso, accionar la máquina y
manualmente el operario ubica la hélice dentro de la máquina, mientras esta va
dando golpes doblando parcialmente el material, así mismo el operario debe girar
360° el material.
Figura 29. Maquina dobladora multipaso.
VENTAJAS:
1. Homogenización del producto.
2. Entradas estándar (energía 220V).
3. Mantenimiento simple.
39
Figura 30. Maquina dobladora multipaso ventajas.
DESVENTAJAS:
1. Una sola hélice por operación.
2. Alto costo de fabricación.
3. Peligrosa manipulación.
4. Tamaño considerable.
5. Diferentes troqueles para cada paso.
6. Venta en Europa.
40
Figura 31. Troquel de paso grande.
3.1.3. PRENSA HIDRAULICA
FUNCIONAMIENTO:
Fabricación: Artesanal.
Entrada de potencia: Bomba hidráulica y cilíndrico.
Fijación: sin fijación.
Ejecución: Ubicar el troquel requerido para el paso, accionar la máquina y
manualmente el operario ubica la hélice dentro de la máquina.
41
Figura 32. Prensa hidráulica.
VENTAJAS:
1. Homogenización del producto.
2. Entradas estándar (energía 220V).
3. Espesores considerables.
4. Durable.
42
Figura 33. Troquel de prensa hidráulica.
DESVENTAJAS:
1. Una sola hélice por operación.
2. Alto costo de fabricación.
3. Peligrosa manipulación.
4. Tamaño considerable.
5. Diferentes troqueles para cada paso.
6. No existe comercialmente.
7. A partir de una prensa hidráulica convencional, operación manual de la
prensa.
43
Figura 34. Parte inferior del troquel.
3.1.4. MAQUINA HIDRAULICA MULTIPOSICION
FUNCIONAMIENTO:
Fabricación: Artesanal.
Entrada de potencia: Bomba y Cilindro Hidráulico.
Fijación: por fricción a las lamina de deformación.
44
Ejecución: Se fija el material a las láminas. Cuando el operario da la orden, la
mordaza móvil se desplaza el paso del tornillo mientras la mordaza fija sostiene el
otro extremo de la hélice.
Figura 35. Maquina hidráulica multi posición.
VENTAJAS:
1. Fácil manipulación.
2. Homogenización del producto.
3. Tamaño reducido, fácil transporte.
4. Entradas estándar (energía 220V).
5. Mantenimiento simple.
6. Varias hélices por operación.
45
Figura 36. Maquina dobladora multi posición activación.
DESVENTAJAS:
1. Insegura.
2. Diseñada para espesores y diámetros menores.
3. No existe a nivel comercial.
4. Bombeo manual.
5. Usa tecnología obsoleta.
3.1.5. MAQUINA ROLADORA
FUNCIONAMIENTO:
Fabricación: Comercial.
Entrada de potencia: Motor eléctrico.
46
Fijación: Mordazas circulares.
Ejecución: Se introduce una platina fijada a las mordazas móviles, las cuales
mueven el material y por forja en frio genera las hélices con las dimensiones
requeridas de todo el tornillo.
Figura 37. Maquina Roladora.
VENTAJAS:
1. Fácil manipulación.
2. Homogenización del producto.
3. Tamaño reducido, fácil transporte.
4. Entradas estándar (energía 220V).
5. Segura.
6. Varias hélices por operación.
7. No requiere soldado entre hélices.
47
Figura 38. Maquina Roladora ventajas.
DESVENTAJAS:
1. Dificultad de fabricación en mayores anchos de hélice.
2. Fabricación compleja.
3. Dificultad en diámetros pequeños de tubo.
4. Venta en Europa.
5. Precio extremadamente elevado.
48
4. PROCEDIMIENTO
4.1. METODOLOGÍA
El proceso a seguir para el diseño y simulación de un dispositivo para la fabricación
de hélices para tornillo sinfín dentro del proceso de producción de TECNINTEGRAL
está compuesto por las siguientes fases:
Fase 1: Exploración:
Realizar un estudio en la industria actual del proceso de fabricación de tornillos sin
fin para la industria de extracción de aceite de palma y revisar las posibles
alternativas.
Fase 2: Ingeniería conceptual:
Plantear alternativas de diseño basado en lo que existe actualmente dentro del
mercado, y adaptar de la mejor manera a los procesos realizados dentro de la
empresa.
Fase 3: Ingeniería básica:
Seleccionar una alternativa y realizar todos los cálculos necesarios tales como
esfuerzo, deformaciones, fuerzas, momentos y materiales necesarios para realizar
el diseño y construcción del dispositivo.
49
Fase 4: Ingeniería de detalle:
Realizar las simulaciones necesarias para garantizar el funcionamiento y vida útil,
así como los planos de taller, para fabricar la máquina.
Fase 5: Verificación y entrega:
Evaluación, revisión y corrección de la información generada y entrega final a la
universidad Distrital Francisco José de Caldas y a la empresa TECNINTEGRAL.
50
5. INGENIERIA CONCEPTUAL
5.1. Diseño conceptual
Para iniciar el diseño, se tienen en cuenta diferentes modelos para tener ideas
globales y específicas de cómo y cuáles van a ser las formas para satisfacer las
necesidades del cliente y así mismo, llenar todos los requerimientos del proyecto,
así, se realizan diferentes análisis mencionados a continuación:
5.2. Modelo de caja negra
Para desarrollar el modelo conceptual, realizamos el modelo de caja negra (figura
38), en este modelo, se analizan las posibilidades con las cuales se puede satisfacer
las tareas necesarias para cumplir con la función, de esta forma, se toman los
criterios y herramientas de entrada, y se mira de forma global, hasta ver los
resultados al finalizar el proceso.
De esta forma, tenemos una tarea definida, y la forma en la cual se va a realizar la
tarea.
Que: deformar laminas
Como: aplicación de fuerza
51
MATERIALES
MAQUINA PARA FABRICACION DE HELICES
DE TORNILLO DESDE Ø200mm HASTA Ø900mm
MATERIALES
Discos de acero Hélices
ENERGIA
ENERGIA
Eléctrica Deformación plástica
Calor
INFORMACION
INFORMACION
Activar Retirar
Deformar
Figura 39. Modelo de caja negra.
En esta podemos definir que para llevar a cabo el proyecto se necesita una máquina
que transforme energía eléctrica en energía mecánica para doblar hélices
plásticamente.
5.3. Modelo de caja gris
Después, se realiza un modelo de caja gris como se muestra en la figura 40, donde
se analiza a más profundidad la forma en la cual se va a realizar la tarea, de esta
forma, podemos descartar y tomar en cuenta diferentes formas con las cuales se
puede satisfacer las necesidades, así, podemos observar las partes del proceso y los
cuellos de botella que se deben tener en cuenta y los diferentes pasos de la
máquina.
52
Figura 40. Modelo de caja gris.
Del modelo de caja gris, tomamos ideas más globales y se transforman en más
específicas de tal forma que ya definimos una maquina o mecanismo que almacene
energía eléctrica y posteriormente la transforme en energía mecánica, que esta
transformación plástica debe ser en un solo sentido.
5.4. Desarrollo despliegue de la función de calidad
Para hacer una evaluación de las posibilidades que se tienen para el desarrollo de la
máquina y sus mecanismos, se tomaron las diferentes posibilidades que existen en
el mercado, y un diseño propio, donde se busca evaluar la mejor alternativa, que
cumpla con las necesidades y criterios del cliente, cumpla las normas de calidad y
seguridad.
Así, se realiza un análisis de despliegue de la calidad, para verificar cuales son las
prioridades del proyecto y cual maquina o mecanismo cumple mejor con los
requerimientos, así mismo, se tiene una imagen más global de las necesidades del
proyecto y las prioridades que tiene el mismo, de esta forma, podemos ver en la
figura 41 casa de la calidad, como, las dimensiones que debe satisfacer la maquina
son la prioridad más importante y no todas las maquinas pueden cumplirlo, por
esto mismo, se decide enfocar el diseño a cumplir estos requerimientos.
MATERIALES Aceptar el material Asegurarlo MATERIALES
Discos de acero Helices
ENERGIA ENERGIA
Electrica Deformacion plastica
Perdida de energia
INFORMACION INFORMACION
Señal Colocar el material Retirar
Convertida en
energia mecanica
Aplicar energia
mecanica para
doblar el material
Activar el
mecanismo
Almacenar
energia
53
Figura 41. Casa de la calidad.
Así, después de analizar los resultados de estos modelos, se llega a la conclusión,
que se debe proporcionar un mecanismo que genere un movimiento lineal, que en
su carga supere el límite de fluencia del material y logre deformar láminas de acero,
por otro lado, esta máquina, debe funcionar con suministros básicos de un taller,
por otro lado, los requerimientos más importantes, son los requeridos por el
cliente, los cuales influyen en que el diseño incluya como prioridad, trabajo
simultaneo, prensas de diferentes tamaños, asegure diferentes medidas y la
seguridad al momento de operarla.
Interacciones
Sinergizar
Comprometer
Dirección de la mejora
Import
ancia
Sis
tem
a m
edib
le
Pro
poner
fabri
car
con m
ate
rial
recic
lado
Manip
ula
cio
n
manual
Dis
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guard
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e
seguri
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Tra
bajo
sim
ultaneo
Sis
tem
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juste
Auto
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r y
Ansys
Usar
mate
riale
s
com
erc
iale
s
Pro
cesos d
e
fabri
cacio
n
convencio
nale
s
1 Garantizar dimensiones 5 9 3 9 1 9 9 9 1 9 x
2 Responsabilidad ambiental 1 1 9 1 1 1 1 1 3 3 x
3 Facil uso 5 3 1 9 9 9 9 3 1 3 x
4 Seguro 4 1 3 9 9 3 9 3 1 1 x
5 Alta produccion 5 9 1 3 3 9 9 3 1 3 x
6 Funcional en diferentes tamaños 5 9 3 9 3 9 9 9 9 3 x
7 Funcional en diferentes espesores 5 9 3 9 3 9 9 9 9 3 x
8 Fabricacion accesible 3 3 9 1 9 9 9 9 9 9 x
9 Software de diseño 2 3 1 3 3 3 3 9 3 9 x
10 Calculos de potencia y transmision 5 1 1 1 1 9 1 9 3 3 x
160 66 192 122 238 222 178 82 112
Mejor Igual
Peor
Importancia Técnica
Casa de Calidad
0
Qué's
Cómo'sMaquina
fabricadora de helices
54
6. INGENIERIA
Debido a que el proceso se realiza de forma manual no se tiene una documentación
de los resultados de la fabricación de estos, sin embargo, se tiene una
documentación de los tiempos hora-hombre que son las que se desea mejorar, por
otro lado, la intención de TECNINTEGRAL S.A.S. es mejorar sus procesos, por lo
tanto, el proceso al ser medible va a garantizar las medidas de las hélices a fabricar.
Actualmente, las hélices son fabricadas manualmente, lo que hace que cada hélice
tenga medidas diferentes una de la otra en el mismo tornillo, por lo tanto, el hecho
de fabricar una maquina con un avance establecido por el operario, garantiza que
todas las hélices tengan las mismas dimensiones, y de la misma forma al final del
proceso garantice el flujo constante que solicita el cliente para la operación del
tornillo sinfín.
6.1. FASE DE DISEÑO
A partir del análisis realizado en el numeral 3.1. se presentaron las ventajas y
desventajas a los ingenieros de TECNINTEGRAL S.A.S., donde seleccionaron las
ventajas que más se pueden acomodar a las necesidades de la empresa, a partir de
la selección, se diseña una alternativa, teniendo en cuenta todos los requerimientos
de diseño establecidos por el departamento de ingenieria.
Posteriormente, se plantea un mecanismo basado en la propuesta del numeral
3.1.1., la cual ofrece las siguientes ventajas: Fácil manipulación, fácil fabricación
55
(bajo costo), homogenización del producto, tamaño reducido, fácil transporte,
versatilidad, entradas estándar (energía 220V), mantenimiento simple, segura,
espesores considerables, todo esto unido a la propuesta del numeral, 3.1.4. en el
cual, coincide en sus ventajas y agrega la ventaja de fabricar varias hélices por
pasada, además de agregarle diferentes mecanismos para mejorar sobre todo su
seguridad.
Con base en el diseño seleccionado, taller de la empresa y los métodos de
fabricación, herramientas y disponibilidad, se realizó un análisis sobre las
alternativas de diseño para fabricar una máquina que se adapte a las condiciones
del servicio, teniendo en cuenta la información recolectada de las maquinas
existentes y las posibles alternativas para esta máquina, se hicieron alternativas, las
cuales al ser consultadas con los encargados de TECNINTEGRAL S.A.S., y con los
asesores de la universidad fueron aprobadas.
Por otro lado, se realizó un cálculo de la fuerza necesaria para deformar
plásticamente láminas de acero al carbono de diferentes espesores y diferentes
dimensiones, para realizar un diseño que cumpliera con las especificaciones
técnicas mínimas para que la maquina tenga un funcionamiento óptimo, debido a la
gran variedad de piezas que se necesita fabricar.
Según las disposiciones, experiencia y base documental de la empresa, se toma en
cuenta los datos de las tablas de TECNINTEGRAL figuras 42 y 43, para iniciar el
diseño, y respetar las normativas técnicas internas.
56
Figura 42. Dimensiones hélices.
57
Figura 43. Dimensiones ejes.
Para satisfacer estas medidas y todos los ítems relacionados a las especificaciones
de la máquina, se toman en cuenta como base para el diseño, lo siguiente:
6.1.1. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
1. Deformación plástica de lámina de acero al carbono desde 200mm hasta
900mm de diámetro con espesor máximo de 3/8”.
2. Garantizar las dimensiones y la repetibilidad de las operaciones para
dimensiones específicas de hélice.
3. Hacer uso de las especificaciones técnicas de un taller industrial.
4. Aprovechar el conocimiento técnico, las instalaciones y software de
TECNINTEGRAL S.A.S. y contar con la aprobación de estos para el diseño y la
simulación.
58
5. Fabricación a partir de insumos, herramientas y personal de
TECNINTEGRAL S.A.S.
6. De fácil mantenimiento, operación y seguro en su manipulación.
6.1.2. CRITERIOS DE EVALUACIÓN
1. Seguridad.
2. Desempeño.
3. Facilidad de manipulación.
4. Funcionalidad
5. Facilidad del reemplazo de sus componentes.
6. Facilidad mantenimiento.
7. Durabilidad.
6.1.3. SIMULACION ANSYS.
Para desarrollar el diseño, el parámetro de entrada, es la fuerza, esta se halla
realizando las simulaciones de esfuerzo en cada una de las hélices a fabricar, se
debe tener en cuenta que cada una de estas tiene un diámetro y en algunas su
espesor es mayor, lo que hace que sus parámetros cambien, usando el método de
modulo tangente y el endurecimiento isotrópico lineal el cual es una aproximación
al comportamiento del acero en la zona plástica, se agregan las características
propias del material y se realiza la simulación para obtener las fuerzas necesarias
para lograr la deformación de cada uno de los tamaños de hélice, como se muestran
en las figuras 44 a la 52:
59
Figura 44. Hélice diámetro 900x3/8” de espesor.
En la figura 44 se observa la simulación de la deformación y el esfuerzo necesario
lograr la dimensión requerida de una hélice de 900mm, que debe ser de 720 mm
con una tolerancia de ±5mm, este cálculo proporciona la mayor fuerza que ejercerá
la máquina, en la simulación de ANSYS se tuvo en cuenta que los resultados
obtenidos están en la zona plástica del diagrama esfuerzo vs deformación, para lo
cual usamos el método del módulo tangente, el cual permite hacer una
aproximación de cómo se deforma una hélice en dicha zona.
60
Figura 45. Hélice diámetro 800x3/8” de espesor.
Continuando, se calcula la fuerza para deformar una hélice de 800mm, para el cual
se debe deformar 640 mm aproximadamente, como se muestra en la figura 45, y
teniendo en cuenta que método del módulo tangente es iterativo, es necesario
alimentar ANSYS varias veces la fuerza, hasta encontrar la que más se adecue a la
deformación requerida.
61
Figura 46. Hélice diámetro 700x5/16” de espesor.
En la figura 46 se observa cómo se deforma una hélice de diámetro 700mm hasta
una longitud de 560mm, según las especificaciones técnicas de la empresa, para
este diámetro de hélice, disminuye su espesor con respecto a los diámetros
mayores, de tal forma que su fuerza disminuye, sin embargo, también se puede
garantizar que para un espesor hasta de 3/8” sigue funcionando en tal caso de que
se llegara a necesitar en una hélice especifica.
62
Figura 47. Hélice diámetro 600x5/16” de espesor.
En la figura 47 se observa cómo se deforma y la carga necesaria de una hélice de
600mm, la cual debe tener un paso aproximadamente el 80% del diámetro, es decir
480 mm ± 5mm.
63
Figura 48. Hélice diámetro 500x1/4” de espesor.
En la figura 48 se observa cómo se deforma una hélice de 500mm hasta una
longitud de 400mm, en caso de necesitar un cambio en la longitud, o espesor, la
maquina está en la capacidad de realizar este tipo de cambios, aunque está sujeta a
cálculos para garantizar dichas dimensiones.
64
Figura 49. Hélice diámetro 400x1/4” de espesor.
En la figura 49 se observa la simulación para el tamaño de hélice de 400mm, cuya
dimensión del paso es de 325 mm, para un paso mayor de las hélices, diferente al
estándar manejado por TECNINTEGRAL S.A.S., se debe realizar los cálculos
necesarios, para no sobrepasar el límite de rotura del acero A-36, ya que se debe
recordar que estamos trabajando con deformaciones en la zona plástica del
material.
65
Figura 50. Hélice diámetro 350x1/4” de espesor.
En la figura 50 se observa la simulación para el tamaño de hélice de diámetro
350mm, con una longitud de 280mm, en donde observamos un esfuerzo máximo de
1625 Mpa. aproximadamente, lo que muestra que la zona más crítica de la pieza es
el diámetro interno, que será la parte de la hélice donde se hará la mayor
deformación.
66
Figura 51. Hélice diámetro 300x1/4” de espesor.
En la figura 51 se observa la simulación para el tamaño de hélice de diámetro
300mm y avance 240mm, la cual arroja un resultado de 3850N aproximadamente,
que no supera la carga de la hélice de diámetro 900mm y de espesor 3/8” que son
los parámetros con los que se realizaron los cálculos de la máquina.
67
Figura 52. Hélice diámetro 250x1/4” de espesor.
En la figura 52 se observa la simulación para deformación y carga para el tamaño
de hélice de diámetro 250mm, en este caso es la de dimensiones más pequeños y
los resultados mínimos, con lo que se puede concluir, que la maquina está en
capacidad de deformar cualquier dimensión de hélice siempre y cuando no supere
las dimensiones de la hélice de 900mm de espesor 3/8” y se realicen los cálculos
pertinentes para darle el avance necesario, en caso de necesitar una hélice de
dimensiones especiales.
68
6.1.4. SELECCIÓN DE MECANISMO
A partir de los criterios de evaluación, se presenta una propuesta de diseño de un
mecanismo con características de varias de las maquinas que se revisaron
anteriormente, agregándole partes al diseño que mejoren su funcionamiento y se
adapten a las necesidades específicas de la empresa, esta propuesta es aprobada
por los encargados de TECNINTEGRAL S.A.S., quienes agregan la importancia del
uso de los materiales y los talleres con los que cuenta la compañía.
Se tienen diferentes requerimientos técnicos que también son importantes para el
diseño, uno de ellos que se debe considerar con gran importancia, es el avance,
debido a que el diámetro de la hélice más grande es de 900mm y por norma, se
debe fabricar con el 80% de su diámetro en longitud, por lo tanto, su deformación
debe ser de 720mm. La máquina también debe deformar láminas de un espesor
desde 1/4”, hasta 3/8”, y debe sostener laminas desde un diámetro de 200mm
hasta 900mm, además, se debe permitir un desplazamiento adicional, teniendo en
cuenta que el material se recupera y así poder garantizar la homogeneidad de paso.
Dentro de las consideraciones del proyecto, se tuvo en cuenta la recuperación del
material, así, se recomienda dar un 5% más de avance en cada paso, de tal forma
que, al desmontar la hélice, se recupere el material y al final tenga las medidas
exactas que necesita la hélice.
6.1.5. SELECCIÓN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA
Para la deformación plástica de un acero al carbono se necesita un mecanismo con
fuerza suficiente para sobrepasar la zona plástica de este material, con un
movimiento uniforme que no sea demasiado rápido para garantizar las
dimensiones y seguridad.
69
Dentro de las consideraciones necesarias, se deben realizar los cálculos según las
condiciones más extremas, en este caso, se realiza una simulación donde se ubican
8 hélices de diámetro y espesor mayor, en las cuales se denota el desplazamiento
más largo. A partir de allí, podemos concluir, que, en menores diámetros,
desplazamientos y espesores, la maquina cumple las necesidades y garantiza la
fabricación de las hélices.
Las alternativas que más se ofrecen en el mercado que satisfacen las necesidades
del diseño se encuentran, levas, mecanismos de piñón cremallera, biela manivela,
cigüeñal, tornillo-tuerca, poleas, cilindros neumáticos, cilindros hidráulicos, entre
otros, al verificar las necesidades propias del proyecto, es claro que varios de estos
no alcanzan las fuerzas necesarias, son de difícil mantenimiento o son demasiado
caros.
Además de esto, se deben considerar factores externos a la máquina, varios de los
mecanismos anteriormente mencionados, no son de fácil adquisición en el mercado
o su mantenimiento muy complicado, por otro lado, se debe aplicar una fuerza muy
alta y a esto agregarle que la longitud que se desea deformar en el diámetro de
hélice es 720mm, más algunas precauciones por seguridad, sería una fuerza
aplicada en alrededor de un metro, así que tomando estos parámetros, las
alternativas más acertadas en la selección de un mecanismo quedarían reducidas a
cilindros neumáticos o hidráulicos, aparte de estas consideraciones y como elección
final, debido a que un mecanismo de cilindro neumático no se torna seguro en tal
distancia por la apertura rápida de su actuador y accesorios de apoyo como
compresores, líneas de aire y aparatos electrónicos muy complejos, se decide optar
por un cilindro hidráulico, el cual, posee la fuerza para fabricar esta cantidad de
hélices en cada pasada, posee la longitud, se encuentra fácilmente en el mercado, es
de fácil mantenimiento, económico y de fácil cambio en caso de llegar a ser
necesario.
70
6.2. INGENIERIA BASICA
Usando los resultados de ANSYS obtenemos que la fuerza necesaria para hacer la
deformación en el diámetro y espesor mayor (900), es, 134400N, a partir de allí y
teniendo en cuenta que la presión proporcionada por la bomba hidráulica es
2500PSI, y de la ecuación de presión:
𝑃 =𝐹
𝐴
Ecuacion 2. Ecuación de presión.
Donde P=presión,
F=fuerza
A=área
Se despeja área, y se agrega un factor de seguridad=2,
𝐴 =𝐹
𝑃
𝐴 =134400 𝑁(2,0)
1,7237𝑥107𝑃𝐴
𝐴 = 0.01559𝑚2
Y para hallar el día metro necesario para el cilindro hidráulico, de la ecuación del
área de un círculo,
𝐴 =𝜋Ø2
4
Ecuacion 3. Área de un círculo.
Ø = √4𝐴
𝜋
71
Ø = √4(0,01559𝑚)
𝜋
Ø = 0,1409𝑚
Entonces, se selecciona un cilindro con diámetro comercial interno 140mm el cual
ofrece la fuerza necesaria para poder deformar la hélice de mayor tamaño,
teniendo en cuenta que se calcula con una unidad hidráulica:
Con respecto al diámetro nominal y el diámetro comercial, existe una diferencia,
por lo cual itera el cálculo de la fuerza máxima ejercida, y así podemos calcular el
factor de seguridad real con el que trabajara la máquina, como vemos en la
ecuación de presión (ecuación 1) a continuación:
𝐹 = 𝑃𝑥𝐴
𝐹 = (1.7237𝑥107)𝜋(0,14)2
4
𝐹 = 265342,9 𝑁
Entonces, se parte de esta fuerza para realizar la selección de un cilindro hidráulico
con las dimensiones requeridas.
A partir del diámetro del cilindro hidráulico, la unidad hidráulica seleccionada, y las
fuerzas obtenidas en ANSYS se recalcula el factor de seguridad como se muestra en
la tabla 1:
72
Tabla 1. Tabla de fuerzas y dimensiones.
Teniendo en cuenta la fuerza máxima que se necesita para el funcionamiento de la
maquina con su respectivo factor de seguridad, se simula en ANSYS el soporte de la
mordaza para garantizar que las dimensiones sean funcionales.
Volumen de 1m³, donde, Vc es igual a Volumen del cilindro:
𝑉𝑐 =𝜋Ø4
4𝑛
Ecuacion 4. Volumen de cilindro.
𝑉𝑐 =𝜋(0.140𝑚𝑚)4
4(1)
𝑉𝑐 = 0.01539m³
Por otro lado, se debe calcular la velocidad lineal (Vl)
𝑉𝑙 =1𝑐𝑚
𝑠
Ecuacion 5. Velocidad lineal.
DIMENSIONES FUERZA (N) PASO (mm) # HELICES FUERZA TOTAL FACTOR DE S.
Ø900mmx3/8" 16800 720 8 134400 1,97
Ø800mmx3/8" 15000 640 8 120000 2,21
Ø700mmx5/16" 7750 560 8 62000 4,28
Ø600mmx5/16" 4000 480 8 32000 8,29
Ø500mmx1/4" 5800 400 8 46400 5,72
Ø400mmx1/4" 7400 320 8 59200 4,48
Ø350mmx1/4" 3200 280 8 25600 10,36
Ø300mmx1/4" 3850 240 8 30800 8,62
Ø250mmx1/4" 3300 200 8 26400 10,05
73
𝑉𝑙 =1𝑐𝑚
10𝑐𝑚(1𝑚)
60𝑠
1𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑙 = 0,6𝑚/𝑚𝑖𝑛
Teniendo estos datos, se puede hallar el caudal (Q) necesario para garantizar el
movimiento del cilindro hidráulico.
𝑄 = 𝐴(𝑉𝑙)
Ecuacion 6. Caudal.
Donde A es igual al área del cilindro y Vl es la velocidad lineal.
𝑄 =𝜋Ø2
4(𝑉𝑙)
𝑄 =𝜋(0.140𝑚𝑚)4
4(0.6)
𝑄 = 0.009262m3/min
Al hacer la transformación de metros cúbicos a galones, entonces:
𝑄 = 0.009262m3/min (264.172 gal/m)
𝑄 = 2,43976gal/min
Para determinar la potencia:
𝐻𝑃 = 0,0007(𝑄)(𝑃)
𝐻𝑃 = 0,0007(2,43976gal/min )(2500𝑝𝑠𝑖)
𝐻𝑃 = 4,2694𝐻𝑃
74
De esta forma, se selecciona una bomba hidráulica que garantice dichas
características y logre realizar el avance de la maquina:
• Potencia 5HP.
• Presión: 2500PSI.
• Caudal: 2,4GPM a 2,6GPM
A raíz de dichos cálculos, y teniendo en cuenta las cargas halladas, se realiza la
simulación de las partes involucradas en el funcionamiento del mecanismo de tal
forma que se realizan las simulaciones necesarias para garantizar el
funcionamiento y la durabilidad de la máquina.
Simulación mordaza móvil: Conociendo las fuerzas que soportan las partes de la
máquina, se inicia realizando una simulación del soporte de mordaza móvil que
recibe directamente la fuerza del cilindro hidráulico, de esta forma se analiza la
capacidad de la pieza para soportar esta fuerza y la transmisión de energía para
transmitirla a las hélices.
75
Figura 53. Simulación mordaza móvil ANSYS.
Luego de simular varias veces, modificando y ajustando los parámetros que el
programa considera críticos se determinó que las dimensiones del soporte de la
mordaza móvil deben ser de por lo menos 1”, sin embargo, para garantizar un
factor de seguridad, en su espesor se construye de 1-1/4”, así mismo, por
construcción, todas las piezas que se ensamblan en ella tienen el mismo espesor.
Para el diseño de la ménsula que soporta todo el sistema, se calculó con un espesor
de ¾” y para mitigar el momento generado se agregan dos pies de amigo de ¾” de
espesor que garantizan que esta pieza armada no falle.
Simulación de estructura:
Viga horizontal:
A partir de los resultados de cargas máximas se realizan los cálculos para
seleccionar el tipo de estructura que va a sostener la maquina y realizar su diseño:
𝐶𝑚𝑎𝑥 =𝑃𝐿
4
Ecuacion 7. Esfuerzo cortante.
76
Donde C= esfuerzo cortante,
P=presión
L=longitud
𝐶𝑚𝑎𝑥 =265𝐾𝑁(1,3𝑚)
4
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 86,125𝐾𝑁𝑚
Así, se muestra la carga que va a ser ejercida en una viga horizontal diseñada según
medidas para albergar las mordazas y tenga el suficiente espacio para sujetar las
hélices, de esta manera en la figura 54 se encuentra el esquema de esfuerzo
cortante sobre la viga horizontal de la estructura.
77
Figura 54. Diagrama de esfuerzo cortante.
78
Columna:
Para el cálculo de la columna se tiene en cuenta límite de esfuerzo de fluencia y el
esfuerzo admisible, ya que en estructuras que son sometidas a cargas dinámicas
externas, diferentes a la masa, se considera un factor de seguridad 4 < FS z 8,
entonces:
𝜎𝑦
𝜎𝑎𝑑𝑚= 𝐹𝑆
Entonces, si factor de seguridad es 4,
𝜎𝑦
𝐹𝑆= 𝜎𝑎𝑑𝑚
Ecuacion 8. Esfuerzo admisible.
Donde 𝜎𝑦= esfuerzo máximo,
FS= Factor de seguridad
𝜎𝑎𝑑𝑚= esfuerzo admisible
𝜎𝑎𝑑𝑚 =(250𝑥106𝑃𝑎)
4
𝜎𝑎𝑑𝑚 = 62,5𝑥106𝑃𝑎
De esta manera, el diagrama de esfuerzo correspondiente se muestra en la figura
55:
79
Figura 55. Esfuerzo columna
Luego de realizar los cálculos de esfuerzo, según los materiales existentes en el
stock de TECNINTEGRAL S.A.S., se selecciona un perfil IPE 330, este en especial,
aparte de cumplir el factor de seguridad y las cargas halladas, tiene dimensiones,
que permiten soportar y asegurar las piezas diseñadas y además de esto puede ser
fácilmente instalado en la planta.
Por último, se hace la simulación de ANSYS, de esta forma, se evalúa el tipo de
estructura y las disposiciones que debe tener.
80
Figura 56. Estructura.
De esta forma, se contemplaron las cargas máximas en la estructura, incluyendo el
esfuerzo máximo del cilindro hidráulico y el peso de todos los materiales que
soporta, además, para su diseño, se contempla el modo de asegurarla en la planta y
en su funcionamiento, que sea fácil de operar y las hélices sean de fácil instalación,
de tal forma, se deja suficiente espacio para hacerla segura y de fácil
funcionamiento.
Acople: una de las piezas que representa mayor riesgo de falla, es el acople, el cual
transfiere la carga del cilindro a la mordaza móvil, por lo cual soporta la carga total
en todos los avances de la máquina.
81
Figura 57. Simulación ANSYS acople
En la figura 57 se puede observar, las reacciones que tiene el material con respecto
a las cargas aplicadas, este, por seguridad, y por ser la pieza más difícil de cambiar
se desea garantizar un factor de seguridad alto, de tal forma que sea cambiada en
pocas ocasiones, además, esta respeta las dimensiones de la ménsula de la
mordaza, que no puede ser muy grande debido al diseño y organización de sus
posiciones.
82
Sujetador: debido a que esta pieza soporta dos cargas, la que se le aplica al
momento de sujetar las piezas y la carga de cada operación, podría constituir un
riesgo para el funcionamiento de la pieza, de tal forma que se realiza un análisis por
aplastamiento.
Figura 58. Sujetador.
Debido a que esta pieza está fabricada de tal forma que tenga el mismo espesor de
su soporte y pueda albergar tornillos de sujeción, estas dimensiones garantizan que
no falle como lo muestra la figura 58.
83
6.3. INGENIERÍA DE DETALLE
Para realizar una maquina totalmente funcional, se tienen en cuenta varias
consideraciones, dentro de las que se encuentran los elementos básicos para la
fabricación de las hélices, una de ellas, es que pueda contener la hélice más grande,
que, en sus medidas finales, debe ser de Ø900mm por 720mm de longitud.
Por otro lado, aprovechando el espacio donde se va a dar avance a la máquina para
el funcionamiento y a razón de optimizar el proceso, se realizan dos mejoras, la
primera, consiste en aprovechar el espacio sobrante en el avance de las mordazas,
colocando posiciones para agregar más hélices por pasada, en segundo lugar, para
fabricar hélices de sentido izquierdo, se colocan posiciones en el lado contrario.
6.3.1. DISEÑO DETALLADO
Mordazas: Para hacer la maquina segura, se inicia diseñando mordazas que
sujeten cada una de las hélices al momento de la fabricación, para esto se aseguran
con mordazas móviles, ajustadas por tornillos.
84
Figura 59. Mordazas.
En la figura 59 se muestran las mordazas que aseguran cada hélice a ambos lados
de la lámina, esta es atornillable de tal forma que puede sujetar diferentes
espesores de lámina, además cuenta con un desnivel calculado en software para
que al momento de realizar el doblés asegure un ángulo uniforme en los empates
entre laminas.
Mordaza fija y móvil: El diseño es basado en dos mordazas, una fija y otra móvil, y
consiste en ajustar las hélices a estas, luego mover una de las dos hasta la posición
del avance de la hélice que se está fabricando y retirar las hélices ya terminadas,
posteriormente, se posiciona la mordaza móvil en la posición de inicio y se realiza
un nuevo montaje para el siguiente juego de hélices, así, el cilindro hidráulico está
conectado directamente a la mordaza móvil.
85
Figura 60. Mordazas fija y móvil.
En la figura 60 se muestra el funcionamiento de dos sentidos de hélice de la
máquina, y las multiposiciones que facilita la ubicación de varias laminas en un solo
ciclo.
Estructura: Para soportar el mecanismo, se diseña una estructura que logre
soportar el peso de las mordazas y el sistema de accionamiento del mismo,
conformado por una unidad hidráulica, para lo cual, por facilidades de la planta, se
desea fabricar en materiales estructurales existentes como muestra la figura 61.
86
Figura 61. Maquina dobladora.
Por último, y debido a la gran carga que se va a generar en cada operación, se
decide agregar correderas a ambas mordazas para sostenerlas, esto debido a que el
cilindro genera fuerzas en varias direcciones, y por el propio peso de las mordazas
podría ocasionar alguna variación en las medidas de las hélices.
Dentro del diseño, se estima también todas las facilidades para limpieza,
mantenimiento y cambio de piezas, así, se diseñan diferentes accesorios
mencionados a continuación.
Acople: Para el fácil ajuste y montaje del cilindro hidráulico se diseña un acople
(figura 62), con medidas de rosca del cilindro y que se asegura a la mordaza móvil,
mediante tornillos, lo que permite su giro, pero no movimientos en el eje vertical, lo
que permite el accionamiento del dispositivo.
87
Figura 62. Acople.
En consecuencia, para facilitar el desmontaje de las partes de la máquina y en tal
caso, su cambio, se fabrican sus partes de tal forma que sean fácilmente
intercambiables, por lo tanto, se aseguran la mayor parte de sus piezas con
tornillos (figura 63).
88
Figura 63. Tornillería.
6.3.2. MODELACION Y PLANOS
A raíz de la base documental consultada y de los aportes generados, se realiza el
diseño y modelamiento en software CAD de una maquina con los atributos
necesarios para su buen funcionamiento, esta, respetando las dimensiones y
consideraciones de forma y diseño, además, se modelan todas las opciones de
hélice para tener una idea más clara de las necesidades del proyecto y poder
realizar las simulaciones ANSYS de las piezas que apliquen.
89
Figura 64. Modelo final
En la figura 64, se puede ver el diseño final de la maquina funcional, está ya con las
simulaciones ANSYS y las modificaciones basadas en lo observado en el programa,
cabe destacar, que todos los materiales se configuraron en INVENTOR, para que
cumplan con las especificaciones de materiales del almacén y según normas
estándar para realizar sus compras si llega a ser necesario.
Para facilitar su fabricación, se realizan todos los planos de fabricación de la
maquina los cuales son anexados al documento (Anexo A planos).
90
Figura 65. Plano general
En la figura 65, se muestra la representación de los planos, en ella se incluyen los
listados de materiales y el ensamble de los mismo.
91
Figura 66. Listado de materiales
Los listados de materiales (figura 66) muestran todas las piezas con su referencia
comercial las cuales se pueden encontrar dentro del almacén de la compañía, en
caso de que no exista en stock, son fácilmente hallables comercialmente, lo cual
muestra la configuración del programa.
Este diseño se basa en materiales estándar, en su mayoría extraídos de la biblioteca
de Autodesk Inventor, los cuales poseen normas estándar aplicables y de venta a
nivel nacional, de la misma forma, se tomaron la mayor cantidad de piezas
coincidentes con el almacén de la empresa, de tal forma que es posible realizar
alguna clase de reciclaje con piezas desechadas de la planta, esto debido a que en
ITEM QTY PART NUMBER DESCRIPTION
1 3300,000 mm BARRA CUADRADA - 1-1/2"x1/1/2" AISC
2 64 ARANDELA - 1/2" ASTM F436
3 60 TUERCA - 1/2" - 13 HEXAGONAL ANSI B18.2.2
4 56 ARANDELA - 9/16" ASTM F436
5 52 TORNILLO -1/2"-13 UNC - 3" HEXAGONAL ANSI/ASME B18.2.1
6 8 TORNILLO - 1/2"-13 UNC - 5,5" HEXAGONAL ANSI/ASME B18.2.1
7 8 ARANDELA - 1 1/4" ASTM F436
8 4 TUERCA - 1 1/4" - 7 HEXAGONAL ANSI B18.2.2
9 4 TORNILLO - 1-1/4"-7 UNC - 4" HEXAGONAL ANSI/ASME B18.2.1
10 2 SEPARADOR SOPORTE 430x80x1"
11 1 ESTRUCTURA 3000x2259x355
12 1 MORDAZA MOVIL 1000x960x185
13 1 MORDAZA FIJA 1100x1000x175,4
14 1 GUIA MOVIL 800x590x102
15 1 CILINDRO NEUMATICO
16 1 GUIA FIJA 1000x374x102
17 1 SOPORTE ESTRUCTURA GUIAS 355x255x1/2"
18 1 SISTEMA HIDRAULICO
92
los planos de piezas se encuentra discriminada cada una con dimensiones
específicas y listado de materiales individual como se ve en la figura 67.
Figura 67. Plano estructura
De la misma manera, se centró el diseño en procesos industriales que se manejan
dentro de la planta de producción de TECNINTEGRAL S.A.S., de tal forma que no es
necesario contratar procesos fuera de la planta de producción, y se tuvo especial
énfasis en realizar la mayor cantidad de piezas roscadas para facilitar los procesos
de fabricación e instalación y armado, de la misma manera, facilita su
mantenimiento, en caso de llegar a necesitar cambiar una pieza, por último, se le
dieron factores de seguridad altos a las piezas que son de difícil armado y
desarmado y a las piezas más críticas que reciben la carga más alta o que son de
difícil fabricación o mantenimiento.
93
CONCLUSIONES
• Se logro encontrar alternativas que satisfacen las necesidades en general de
la industria, puesto que el diseño, no solo simula fabricar hélices con
medidas estándar, sino que es mucho más practica y eficiente que las
encontradas en el mercado.
• Para lograr diseñar esta máquina, se tuvo que hacer un análisis profundo de
las maquinas que ofrece el mercado y se logró incorporar al diseño
mecanismos accesibles para la empresa y fácilmente reemplazables, lo que
garantiza la versatilidad de la maquina en general.
• Al proponer un diseño de máquina, se garantiza la repetibilidad de los
procesos, lo que va a mejorar los estándares de calidad, tiempo y sobre todo
seguridad de las personas que realizan el proceso.
• Al realizar una simulación en el software ANSYS, se evidencia la
funcionalidad de la máquina, y el comportamiento de los metales al ser
modificados mediante esfuerzos muy altos.
• Dentro de las consideraciones del diseño, se logra diseñar una máquina, que
cumple con las dimensiones de las hélices que se desean fabricar y en las
simulaciones de ANSYS puede cumplir con la modificación de las hélices y
cumple con los pasos establecidos para cada diámetro.
94
RECOMENDACIONES
• A pesar de realizar una simulación en ANSYS, se debe llevar una base
documental de los resultados de la maquina tanto en dimensiones como en
tiempo, debido a que los materiales, dimensiones, ajuste de la máquina y
demás agentes externos, pueden cambiar en cada ejecución, lo cual se puede
mejorar controlando cada parte del proceso, además, se puede asegurar las
medidas resultantes, a partir de las mediciones y la experticia del operario
de la máquina.
• A pesar de que el diseño garantiza su funcionamiento con todas las
posiciones funcionando, se recomienda que por seguridad sobre todo en los
diámetros de hélice más grandes se hagan montajes de menores cantidades,
puesto que puede resultar peligroso para el operario, tanto
ergonómicamente como al momento de activarla por la carga.
• Para el uso de materiales diferentes a acero A-36 se debe realizar los
cálculos pertinentes, debido a que, para materiales de mayor dureza, se
debería montar menores cantidades de hélices por pasada para garantizar el
doblez.
• Si se desea fabricar una pieza que esta por fuera de las consideraciones de
medidas propias de TECNINTEGRAL S.A.S., se deben realizar los cálculos
pertinentes, tanto para garantizar el funcionamiento de la máquina, como
las medidas finales de la pieza a fabricar.
95
AUTORES:
• Edson Josimar Rincón Cañón, diseñador, tecnólogo Mecánico de la
universidad Distrital Francisco José De Caldas. Áreas de interés diseño
mecánico y modelado asistido por software CAD-CAM. Email:
• Camilo Zea Avila Tecnólogo mecánico de la Universidad Francisco José De
Caldas. Áreas de interés: dibujo y diseño mecánico y modelado asistido por
software CAD-CAM. Email: [email protected]
96
BIBLIOGRAFÍA
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https://www.tecnintegral.com/
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E.T.S.I. Industriales Universidad Politécnica de Madrid (2018) WEB:
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https://www.mecanizadossinc.com/proceso-plegado-doblado/
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• Bendingrollco, Dobladora para hélices, WEB:
https://www.bendingrollco.com/bending-roll/1682-2/?lang=es
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Tabla de Capacidad para Transportadores Helicoidales Horizontales.
• Cinemática de las maquinas, Área de mecánica y eléctrica Ing. Arturo Castillo
Ramírez, Universidad Autónoma de San Luis de Potosí,
97
http://www.ingenieria.uaslp.mx/Documents/Apuntes/Cinem%C3%A1tica%20de
%20las%20M%C3%A1quinas.pdf
• Mare Meyers and Krishan Chawla, MECHANICAL BEHAVIOR OF
MATERIALS, second edition.
ANEXOS
A. Planos máquina para fabricación de hélices. B. Informe ANSYS Estructura. C. Informe ANSYS hélice 250mm. D. Informe ANSYS hélice 300mm. E. Informe ANSYS hélice 350mm. F. Informe ANSYS hélice 400mm. G. Informe ANSYS hélice 500mm. H. Informe ANSYS hélice 600mm. I. Informe ANSYS hélice 700mm. J. Informe ANSYS hélice 800mm. K. Informe ANSYS hélice 900mm.