Diseño del mecanismo de corte para máquina cortadora de discos de chapa
Full text
Equa ion Chap e 1 Sec ion 1
T abajo de Fin de G ado
G ado en Ingenie ía de las Tecnologías
Indus iales
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina
co ado a de discos de chapa
Au o : Ca los Daza Peleg ina
Tu o : Aida Es é ez U a
Dp o. de Ingenie ía mecánica y de ab icación
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2017
i
T abajo de Fin de G ado
G ado en Ingenie ía de las Tecnologías Indus iales
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina
co ado a de discos de chapa
Au o :
Ca los Daza Peleg ina
Tu o :
Aida Es é ez U a
P o eso a Colabo ado a
Dp o. de Ingenie ía mecánica y de ab icación
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2017
ii
T abajo de Fin de G ado: Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de
chapa
Au o :
Ca los Daza Peleg ina
Tu o :
Aída Es é ez U a
El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es
miemb os:
P esiden e:
Vocales:
Sec e a io:
Acue dan o o ga le la cali icación de:
Se illa, 2017
El Sec e a io del T ibunal
iii
Ag adecimien os
Ag adece a mis pad es y sob e odo a mi abuela, ya que sin su ayuda mo al y económica yo no
es a ía hoy esc ibiendo es as palab as, g acias po la educación y po oda la libe ad que me
habéis dado pa a que llegue a se quien soy a día de hoy y pa a que encuen e mi camino en la
ida.
A odos aquellos que alguna ez me apo a on algo, an o posi i a como nega i amen e, po
odas esas expe iencias i idas y compa idas has a el día de hoy, os doy las g acias.
G acias a mi u o a Aida, que pensó en mi pa a es e p oyec o cuando andaba pe dido en la
elección de uno, g acias po los conocimien os y el iempo apo ado a mi desa ollo, g acias
ambién a Manuel, maes o de alle de la E.T.S.I. po los consejos p ác icos ecibidos, y a mi
compañe o Da ío con el cual he ealizado mul i ud de abajos incluyendo pa e de es e
p oyec o.
Ca los Daza Peleg ina
Se illa, 2017
i
Índice
1 In oducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 An eceden es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Obje i os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Ta eas a desa olla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2 Desa ollo eó ico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2.1 Con o mado po de o mación plás ica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 De inición y ca ac e ís icas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2.1.2 Clasi icación de los p ocesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2.2 P ocesos de de o mación plás ica en chapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Clasi icación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.2.2 Co e de chapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 Co e de discos de chapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
3 Diseño del mecanismo de co e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 Desc ipción de los elemen os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3.2 Cuchillas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
3.2.1 Condiciones de abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 Ma e ial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.3 Dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.3 Fue za de co e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Eng anajes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.1 Ma e ial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
3.4.2 Dimensiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.4.3 Condiciones de abajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
3.5.1 Condiciones de abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
3.5.2 Ma e ial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
3.5.2 Dimensiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
3.6 Rodamien os y sopo e pa a odamien os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6.1 Sopo e pa a odamien os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Mani ela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
3.8 Cha e e os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 T abajos u u os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
6 Bibliog a ía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Anexo
Planos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 6
El ensayo de acción es comúnmen e usado pa a ca ac e iza a los ma e iales median e su
cu a de ensión-de o mación nominal o ingenie il. En la igu a 2.2 se mues an es e ipo de
cu as donde se ap ecian los dos ipos de compo amien o que puede ene el ma e ial.
Compo amien o elás ico: se ca ac e iza po que el ma e ial ecupe a su o ma o almen e
después de aplica la ca ga.
Compo amien o plás ico: el ma e ial se de o ma más ápidamen e, causando un cambio
d ás ico en la pendien e de la cu a, además el ma e ial no ecupe a o almen e su o ma
después de aplica la ca ga exis iendo una de o mación pe manen e.
e
De o mación
s
Tensión en la zona
elás ica = 𝐸.𝑒
E
Módulo de elas icidad
(Young)
Y
Lími e de luencia
(yield s eng h YS)
TS
Resis encia a la
T acción (ul ima e
ensile s eng h)
Figu a 2.2 Cu a ensión-de o mación nominal o ingenie il
No obs an e La cu a ensión de o mación eal es lige amen e di e en e sob e odo en la zona
plás ica donde las ensiones eales son mayo es que las ensiones ingenie iles lo que implica
que a mayo ensión mayo di e encia en e las de o maciones eales e ingenie iles.
σ
Tensión eal = 𝑠(1 + 𝑒)
ϵ
De o mación eal = 𝑙𝑛(1+𝑒)
El endu ecimien o po de o mación es una elación que apa ece en los ma e iales debido al
aumen o del es ue zo co an e necesa io pa a que se p oduzca deslizamien o. Tal elación se
usa pa a la ca ac e ización de me ales pa a con o mado en ío median e la exp esión:
σ=K ϵ𝑛 (2.1)
K
Coe icien e de esis encia (𝑀𝑃𝑎)
n
Exponen e de endu ecimien o po de o mación
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 7
Las p opiedades que de i an del ensayo de acción son:
Duc ilidad: capacidad de un ma e ial de exhibi de o maciones plás icas ap eciables
an es de la o u a. Si es al a el ma e ial es dúc il, en caso con a io es ágil.
Tenacidad: can idad de ene gía (po unidad de olumen) que un ma e ial es capaz de
abso be an es de la o u a, es el á ea bajo la cu a ensión-de o mación.
Resis encia a la o u a: ca ga que admi e el ma e ial sin ompe se.
Resis encia a la luencia: ca ga que admi e el ma e ial sin plas i icación.
Como ya se ha mencionado la empe a u a ambién juega un papel impo an e en el
compo amien o de los ma e iales, po ello se de ine la empe a u a de ec is alización como
la empe a u a a la que se egene an odos los g anos de un ma e ial en una ho a. Po an o se
di iden los ipos de p ocesos de de o mación plás ica en unción de la empe a u a de abajo.
P ocesos de de o mación plás ica
𝑇𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜/𝑇𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛
T abajo en ío
< 0,3
T abajo en ibio
0,3 – 0,5
T abajo en calien e
> 0,5
La empe a u a además c ea e ec os como el de endu ecimien o po elocidad de
de o mación, sin emba go pa a abajos en ío es os e ec os son desp eciables y solo se
mues an e ec os de endu ecimien o po de o mación.
En a izando más en los p ocesos que se ealizan en ío es as son algunas de sus
ca ac e ís icas.
Ven ajas:
P opo ciona mejo p ecisión, ole ancias más es echas.
Mejo an el acabado de la supe icie.
El endu ecimien o po de o mación aumen a la esis encia y la du eza.
El lujo de g anos du an e la de o mación b inda la opo unidad de ob ene
p opiedades di eccionales con enien es en el p oduc o esul an e.
Aho o en cos os de ho no y combus ible.
Incon enien es:
Requie en mayo po encia pa a desempeña las ope aciones.
Se debe ene cuidado pa a asegu a que las supe icies de la pieza de abajo inicial
es én lib es de inc us aciones y suciedad.
La duc ilidad y el endu ecimien o po de o mación del me al de abajo limi an la
can idad de con o mado que se puede hace sob e la pieza.
Las igu a 2.3 y 2.4 mues an ejemplos de p ocesos de con o mado en ío ales como
laminación en ío o es i ado de chapa.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 8
Figu a 2.3 Laminación en io (Izquie da) y con o mado o a i o de chapa (de echa)
Figu a 2.4 Es i ado de chapa (izquie da), es i ado de alamb e (de echa) y doblado de chapa
(abajo)
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 9
2.2 P ocesos de de o mación plás ica en chapa
2.2.1 Clasi icación
Den o de los p ocesos de de o mación en chapa los cuales algunos ya se menciona on con
an e io idad, se a iende a o a g an clasi icación.
P ocesos de co e: Consis en es en la sepa ación o al o pa cial de una pa e del
ma e ial de la o a.
De a iación de o ma: Consis en es en el desplazamien o de una pa e del ma e ial
con espec o a la o a sin des ui la unión en e ellas.
2.2.2 Co e de chapa
P oceso de con o mado en el que una hoja me álica o chapa se co a al some e la a es ue zos
co an es localizados, median e la acción conjun a de dos cuchillas o ma ices, una ija (ma iz)
y o a mó il (punzón).
En la igu a 2.5 se obse an las di e en es e apas que ocu en en un p oceso de co e desde
que se inicia el con ac o en e la ma iz, punzón y chapa has a que se c ea la ac u a que ha á
se sepa en ambos ma e iales.
Figu a 2.5 Di e en es e apas du an e el p oceso de co e
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 10
La holgu a c mos ada en la igu a 2.5 in oduce un e ec o impo an e sob e la ue za de co e
y la ebaba o iginada as el mismo. En la p ác ica la holgu a óp ima oscila en e el 4% y el 8%
del espeso de la chapa. En la abla 2.1 se mues an di e en es holgu as óp imas en unción de
los di e en es me ales donde c es la holgu a en e la ma iz y el punzón y es el espeso de la
chapa.
Tabla 2.1 Holgu a óp ima pa a cie os me ales.
G upo de ma e iales
𝑐/𝑡
Aleaciones de Al 1100S y 5052S, odos los emples
0,045
Aleaciones de Al 2024ST y 6061ST, la ones ace os laminados en ío (du eza baja) y
ace os inoxidable (du eza baja)
0,060
Ace os la minado en ío (du eza media) y ace os inoxidables ( du eza media y al a)
0,075
Den o de los p ocesos de co e se pueden di e encia las llamadas ope aciones básicas de
co e de chapa en unción del ipo de co e que ealizan sob e dicha chapa al y como se
e leja en la igu a 2.6, en las igu as 2.7 y 2.8 se obse an algunos de es os p ocesos.
Figu a 2.6 Di e en es ope aciones ealizables en una chapa
Figu a 2.7 Ope aciones de pe o ado y punzonado
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 11
Figu a 2.8 Ope aciones de cizallado y anu ado
En la igu a 2.9 se mues an o os ipos de co e que no necesi an que se eje za una p esión
en e dos elemen os sob e la chapa pa a ealiza el co e.
Figu a 2.9 Ope aciones de co e con plasma, lase y po agua
Además exis en ope aciones a ines al co e como pueden se el asu ado, el cual mejo a
conside ablemen e la calidad del co e, o el co e ino el cual pe mi e ole ancias de has a
0,050 mm pa a piezas en e 0,5 a 13 mm de espeso .
En el co e en cizalla se pueden usa dos con igu aciones en unción del ipo de disposición de
la cuchilla con espec o a la ma iz, cuchilla plana o cuchilla inclinada. En la disposición con
cuchilla inclinada la ue za necesa ia pa a eje ce el co e es meno , no obs an e el abajo es
el mismo pa a una misma chapa pues la dis ancia de co e eco ida po la cuchilla es mayo
que en caso con cuchilla plana.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 12
En la igu a 2.10 se mues an ambas disposiciones así como la sección de co e
Figu a 2.10 Cizalla con cuchilla plana e inclinada
Se puede demos a que el abajo W necesa io pa a co a la chapa es el mismo en ambas
disposiciones:
𝑊= 𝐾1𝐾2𝜎𝑢𝑡2𝐿 (2.2)
K1,K2
Cons an es del ma e ial
𝜎𝑢
Tensión de o u a
Espeso de la chapa
L
Longi ud de la chapa
2.2.3 Co e de discos de chapa
Den o de la ope ación de cizallado exis e una que se ca ac e iza po la ob ención de discos de
chapa de o ma ci cula , a di e encia del cizallado con encional, el cual ealiza un co e ec o
que sepa a una pa e de la chapa de la o a.
La o ma de lle a a cabo es a ope ación consis e en suje a en un pun o ijo la chapa
pe mi iendo que es a gi e sob e el pun o ijado, a su ez a una dis ancia ap oximada del adio
de la chapa deseada se encuen an las cuchillas en posición ija y en en adas una sob e la
o a, las cuales además pueden gi a sob e su p opio cen o.
Al pasa la chapa po el pun o de encuen o de las cuchillas es a a siendo co ada a medida
que gi a sob e su p opio cen o.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 2 13
En la igu a 2.11 se obse an el conjun o de es os elemen os en acción.
Figu a 2.11 Cizalla ci cula ealizando el co e de chapa. h ps://www.you ube.com
En la igu a 2.12 [8] se mues a una ep esen ación ideal del co e de la chapa. El ec o P se
co esponde con la esul an e del es ue zo de co e o al y es el da o que se usa á como uno
de los pun os de pa ida pa a el diseño.
h
Espeso del ma e ial
S
Supe posición de las
cuchillas
P
Es ue zo de co e
o al
α
Ángulo pe misible de
mo dedu a
EF
Magni ud del co e
aplicando P que es á
en la mi ad de las
cue das Ab y CD
Figu a 2.12 Cu a de la p esión de co e del me al en cuchillas o a i as
El ec o P es la esul an e de las ue zas que se gene an en la chapa y ha de se lo
su icien emen e g ande a lo la go de odo el eco ido de co e pa a ga an iza que se p oduce
el co e de la chapa dejando la meno ebaba posible después de que el co e sea e ec uado.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 14
3 Diseño del mecanismo de co e
3.1 Desc ipción de los elemen os
Como p ime paso pa a el diseño es necesa ia una b e e desc ipción de los di e en es
elemen os implicados en el mecanismo de co e de discos de chapa:
Chuchillas:
Es el elemen o más impo an e del mecanismo pues es el enca gado de ga an iza que se
eje ce la ue za co an e que p o oca a la o u a plás ica de la chapa.
Eng anajes:
La misión de es e elemen o es ansmi i el pa que p o iene de la mani ela en e el eje
supe io e in e io del mecanismo, has a las p opias cuchillas.
Ejes:
Son los enca gados de sopo a el peso de los demás elemen os además de man ene los
alineados a lo la go de su longi ud, deben se capaces de sopo a las ca gas y momen os
que de i an del co e de la chapa y la ansmisión de ue zas de los eng anajes.
Rodamien os:
Son el pun o de apoyo del eje y deben sopo a y ansmi i a la es uc u a ígida las ca gas
es á icas o dinámicas que se desa ollan en es e, además de pe mi i a su ez el gi o del
eje sob e su p opio cen o.
Mani ela:
Es el elemen o que pe mi e median e accionamien o manual eje ce la ue za mo o a que
se ansmi i á a a és de los ejes a los demás elemen os.
En es e capí ulo se calcula an y se diseña an los elemen os an e io men e mencionados,
además median e el p og ama come cial Solid Edge V20 se ensambla án como se mues a en
el esquema de la igu a 3.1.
La disposición de los elemen os se ha omado en base a las máquinas ya exis en es en el
me cado [2], [3], [4], [5], [6]. La inalidad es que al in oduci una chapa en e las dos cuchillas
y hace la gi a sob e su cen o es a se á co ada mien as se eje ce una cie a ue za en la
mani ela que ha á que odo el conjun o gi e en o no al cen o de o ación de los ejes
ansmi iéndose el pa eje cido desde la mani ela po los eng anajes, hacia los ejes y acabando
en las cuchillas las cuales es án en en adas en un ángulo de 15.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 15
Figu a 3.1 Esquema de la disposición de los elemen os ensamblados
3.2 Cuchillas
3.2.1 Condiciones de abajo
Las chapas con las que se abaja en el g upo de in es igación de la escuela écnica supe io de
Ingenie os (E.T.S.I) son del Ace o H240LA O3 o Ace o HC260LA O3, [9], [10]. Sus dimensiones
máximas son de 40 x 40 mm con un espeso de ℎ = 2 𝑚𝑚.
Se conside a que el abajo se ha á en ío pues han de se co adas a empe a u a ambien e.
Las chapas deben pode se co adas po cualquie ipo de pe sona, i.e. la ue za a eje ce en la
mani ela no debe se muy al a compa ada con los es ánda es de ue za humana de cualquie
géne o.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 22
Figu a 3.5 ue zas gene adas en un eng anaje ec o
De (3.7) y (3.8) se ob ienen unos alo es de:
𝐹𝑡= 459,69 𝑁
𝐹𝑟=167,31 𝑁
La ansmisión del mo imien o en e los ejes y los eng anajes se e ec ua á median e cha e a
ija al igual que con las cuchillas. La unión al eje puede e ec ua se median e a andelas de
sujeción las cuales o ecen una solución ba a a y e ec i a pa a impedi el desplazamien o axial
de los eng anajes, sob e odo del eng anaje in e io , el cual, al es a a 15 con espec o al eje
ho izon al es más p openso a desplaza se axialmen e.
En el anexo “Planos” planos 3 y 9, se mues an las medidas y la disposición inal de los
eng anajes en el conjun o de co e.
Con es os alo es y las ue zas gene adas en las cuchillas, se puede pasa al cálculo y diseño de
los ejes.
3.5 Ejes
Como se ha mencionado an e io men e una ez se disponen de las ue zas que se an a
gene a en el mecanismo de co e se puede empeza con el diseño del eje, pa a lo que p ime o
se ealiza an algunas conside aciones.
Pues o que la máquina es accionada manualmen e la ue za necesa ia pa a el co e es en
p incipio la máxima ue za que se a a eje ce en el eje po lo que a la ho a del diseño y
conside ando que el momen o que se a a eje ce es más o menos cons an e, solo apa ece án
ue zas conside ables en las cuchillas, los eng anajes y los odamien os pudiendo ob ia se el
diáme o de la pa e donde se aloja la mani ela al diáme o necesa io pa a el eng anaje o una
sección educida del mismo.
Al es a los ejes co ándose en un ángulo de 15 y al se las dimensiones de las cuchillas y los
diáme os p imi i os de los eng anajes iguales en e si la longi ud de ambos ejes iene
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 23
es ablecida según se mues a en la igu a 3.6, donde 𝑅𝑐 co esponde al adio de la cuchilla y
𝑅𝑝 co esponde al adio p imi i o del eng anaje.
Figu a 3.6 Disposición geomé ica de las cuchillas y los eng anajes sob e el eje.
De la igu a se deduce geomé icamen e:
𝐿𝑂𝑄 =(𝑅𝑝+𝑅𝑝
cos15°)
an15° =493,72 𝑚𝑚
𝐿𝑂𝑃=(𝑅𝑐+𝑅𝑐
cos15°)
an15° =246,86 𝑚𝑚
Po an o la longi ud en e el ex emo de la cuchilla y el cen o del eng anaje se á:
𝐿𝑃𝑄 = 𝐿𝑂𝑄− 𝐿𝑂𝑃=246,86 𝑚𝑚
Es o se debe a que se ha escogido unos eng anajes cuyo diáme o p imi i o es el doble que el
de las cuchillas, además a es a longi ud hab á que añadi le la mi ad del ancho del eng anaje
más un espacio pa a la mani ela po an o:
𝐿𝑒𝑗𝑒 =246,86+12,5+25=284,36 ~285 𝑚𝑚
Además ya que se ha diseñado pa a que ambos ejes su an los mismos es ue zos pe o de
sen ido con a io bas a a con calcula uno de ellos po ejemplo el supe io pa a de e mina el
diáme o necesa io en las di e en es secciones.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 24
3.5.1 Condiciones de abajo
Los es ue zos en el eje end án una es uc u a como la mos ada en la igu a 3.7, donde odas
las ue zas que ac úan en el mismo son adiales po lo que se pueden desp ecia los es ue zos
axiles en dicho eje. Siendo el pun o (A) el pun o donde se aloja la cuchilla, los pun os (B) y (C)
los apoyos pa a los odamien os y el pun o (D) el cen o del eng anaje ec o.
Figu a 3.7 Resul an es de las ue zas que se gene an en el eje
Lo siguien e se á calcula las eacciones en los apoyos:
Plano X-Y
Suma o io de ue zas en di ección 𝑌 igual a ce o ∑𝐹𝑌=0
−1776,45 𝑁 + 𝑅𝑏𝑦 + 𝑅𝑐𝑦 − 167,31 𝑁 = 0
Suma o io de momen os en 𝑏 ∑𝑀 (𝑏) = 0
−1776,45 𝑁.0,055 𝑚 – 𝑅𝑐𝑦.0,15 𝑚 + 167,31 𝑁.0,1925 𝑚 = 0
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 25
Despejando:
𝑅𝑐𝑦 = −436,65 𝑁
𝑅𝑏𝑦 = 2380,41 𝑁
Plano X-Z
Suma o io de ue zas en di ección 𝑍 igual a ce o ∑𝐹𝑍=0
𝑅𝑏𝑧 + 𝑅𝑐𝑧 – 459,69 𝑁 = 0
Suma o io de momen os en 𝑏 ∑𝑀 (𝑏) = 0
−𝑅𝑐𝑧.0,15 𝑚 + 459,69 𝑁.0,1925 𝑚 = 0
Despejando:
𝑅𝑐𝑧 = 589,93 𝑁
𝑅𝑏𝑧 = −130,24 𝑁
A con inuación se mues an los diag amas ( igu as 3.8 y 3.9) de es ue zos co an es y
momen os lec o es de los planos X-Y e X-Z.
Figu a 3.8 Diag ama de es ue zos co an es y momen os lec o es en el plano X-Y
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 26
Figu a 3.9 Diag ama de es ue zos co an es y momen os lec o es en el plano X-Z
El momen o máximo en cada pun o se puede calcula median e la exp esión:
𝑀𝑡= √(𝑀𝑥−𝑦)2+ (𝑀𝑥−𝑧)2 (3.9)
De donde se ob iene:
𝑀𝑡(𝐴) = 0 𝑁𝑚
𝑀𝑡(𝐵) = 97,7 𝑁𝑚
𝑀𝑡(𝐶) = 20,78 𝑁𝑚
𝑀𝑡(𝐷) = 0 𝑁𝑚
Pa a el cálculo de diáme o del eje se usa á la eo ía de la alla po dis o sión de la ene gía
( eo ía de on Mises) [18], la cual de ine la siguien e ecuación:
1
𝑁=[(𝑆𝑒𝑎
𝑆𝑛𝑎+𝑆𝑒𝑓
𝑆𝑛𝑓)2+(𝑆𝑒𝑠
𝑆𝑛𝑠)2]1/2 (3.10)
𝑆𝑒𝑓= 𝑆𝑛𝑓
𝑆𝑦 𝑆𝑚𝑓+𝐾𝑓.𝑆𝑎𝑓 (3.11)
𝑆𝑒𝑎= 𝑆𝑛𝑎
𝑆𝑦 𝑆𝑚𝑎+𝐾𝑓.𝑆𝑎𝑎 (3.12)
𝑆𝑒𝑠= 𝑆𝑛𝑠
𝑆𝑦𝑠𝑆𝑚𝑠+𝐾𝑓𝑠.𝑆𝑎𝑠 (3.13)
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 27
𝑆𝑒𝑓
Es ue zo equi alen e a lexión
𝑆𝑒𝑎
Es ue zo equi alen e a acción
𝑆𝑒𝑠
Es ue zo equi alen e a o sión
𝑆𝑛
Resis encia a la a iga
𝑆𝑦
Pun o de Fluencia del ma e ial
𝑆𝑦𝑠
Pun o de Fluencia del ma e ial a o sión 𝑆𝑦𝑠 = 0,6𝑆𝑦
𝑆𝑚
Es ue zo medio
𝑆𝑎
Es ue zo al e no
𝐾𝑓
Fac o de concen ación de es ue zo a lexión
𝐾𝑓𝑠
Fac o de concen ación de es ue zo a o sión
𝑁
Fac o de segu idad
Pa a educi los cálculos se hacen algunas conside aciones:
El o que es cons an e, po lo an o el es ue zo al e no a o sión es ce o: 𝑆𝑎𝑠 = 0
No exis e ue za axial, ya que se abaja á con eng anajes ec os: 𝑆𝑒𝑎 = 0
El es ue zo de lexión es cons an e po lo an o el es ue zo medio de lexión es igual al
es ue zo al e no: 𝑆𝑚𝑓 = 𝑆𝑎𝑓
La ecuación se educe en onces a
1
𝑁=[(𝑆𝑒𝑓
𝑆𝑛𝑓)2+(𝑆𝑒𝑠
𝑆𝑛𝑠)2]1/2 (3.14)
Y ope ando
1
𝑁=[(𝑆𝑎𝑓(1
𝑆𝑦+𝐾𝑓
𝑆𝑛𝑓))2+(𝑆𝑚𝑠
0,6𝑆𝑦)2]1/2 (3.15)
Además se conoce la elación de la ensión al e na con el momen o lec o máximo:
𝑆𝑎𝑓 =𝑆𝑚𝑎𝑥− 𝑆𝑚𝑖𝑛
2= 𝑆𝑚𝑎𝑥
2 =𝑀𝑚𝑎𝑥
𝑍
𝑍 = 𝜋 𝑑3
32
Así como la elación en e el es ue zo medio a o sión y el momen o o so :
𝑆𝑚𝑠 = 𝑇
𝑍′
𝑍’ = 2 𝑍 = 2 𝜋 𝑑3
32
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 28
Ope ando de nue o:
1
𝑁={(32
π 𝑑3)2[𝑀𝑚𝑎𝑥2(1
𝑆𝑦+𝐾𝑓
𝑆𝑛𝑓)2+( 𝑇
1,2 𝑆𝑦)2]}1/2 (3.16)
Y despejando d:
𝑑= {10.19 𝑁[𝑀𝑚𝑎𝑥2(1
𝑆𝑦+𝐾𝑓
𝑆𝑛𝑓)2+( 𝑇
1,2 𝑆𝑦)2]1/2}1/3 (3.17)
3.5.2 Ma e ial
El ma e ial del que es a á cons i uido el eje es Ace o AISI C1045 Ca bon s eel el cual es un
ace o usado cuando la du eza y la esis encia son necesa ias en condiciones de suminis o. Po
su du eza y enacidad es adecuado pa a la ab icación de componen es de maquina ia. Su
ensión de o u a y ensión de luencia son las siguien es:
𝑆𝑢 = 662 𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑦 = 407 𝑀𝑃𝑎
Aunque la esis encia a a iga no a ec a a mucho al mecanismo, pues es e además de que se
acciona manualmen e no se á usado du an e una jo nada de abajo comple a, se puede
ap oxima 𝑆𝑛𝑓 median e:
𝑆𝑛𝑓=𝐶𝑏.𝐶𝑠.𝐶𝑟.𝐶𝑜.0,5.𝑆𝑢 (3.18)
Donde los alo es de los ac o es de co ección se ob ienen de la abla 3.5
Tabla 3.5 alo es de los ac o es de co ección.
Fac o de co ección
po empe a u a
𝐶𝑏
Fac o de co ección
po supe icie
𝐶𝑠
Fac o de
con iabilidad
uncional
𝐶𝑟
Fac o de co ección
po es ue zos
esiduales
𝐶𝑜
1
0,88
0,9
1,3
Po lo que:
𝑆𝑛𝑓 = 340,8 𝑀𝑃𝑎
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 29
3.5.3 Dimensiones
In oduciendo odos es os da os en (3.14), se pasan a calcula los diáme os mínimos en los
di e en es pun os según la ecuación (3.17):
Pun o (A) 𝑀𝑡 = 0 𝑁𝑚 ; 𝑇 = 29,88 𝑁𝑚
𝑁 = 3
𝐾𝑓 = 2,5
𝑑 = 0,0123 𝑚 ~ 0,015 𝑚
Pun o (B) 𝑀𝑡 = 97,7 𝑁𝑚 ; 𝑇 = 29,88 𝑁𝑚
𝐾𝑓=1 (𝑝𝑢𝑒𝑠 𝑙𝑜𝑠 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑛 𝑎𝑙𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑢𝑛 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑜)
𝑁=1,5
𝑑= 0,02 𝑚
Pun o(C) 𝑀𝑡 = 20,78 𝑁𝑚 ; 𝑇 = 29,88 𝑁𝑚
𝐾𝑓=1 (𝑝𝑢𝑒𝑠 𝑙𝑜𝑠 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑛 𝑎𝑙𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑢𝑛 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑜)
𝑁=1,5
𝑑 = 0,0124 𝑚 ~ 0,02 𝑚 (𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑜𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑)
Pun o (D)
𝑀𝑡 = 0 𝑁𝑚 ; 𝑇 = 29,88 𝑁𝑚
𝑁 = 3
𝐾𝑓 = 2,5
𝑑 = 0,0123 𝑚 ~ 0,02 𝑚 (𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑎𝑗𝑒 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜)
Obse ando los esul ados, se llega a la conclusión de que con un diáme o del eje de 2 cm
es e sopo a á las ca gas esul an es del co e de la chapa sin ompe se.
En la igu a 3.10 se mues an los ejes diseñados median e Solid Edge V20. Como ya se
mencionó en apa ados an e io es odos los huecos pa a cha e as que lle an los ejes incluidos
son pa a la ansmisión de mo imien o, en es e caso, el eje supe io es lige amen e más la go
y iene un hueco adicional pa a cha e a debido a que es e debe albe ga la mani ela.
Ambos es án oscados en su pa e delan e a pa a la sujeción de las cuchillas, y ambos ienen
un aguje o oscado en su pa e ase a pa a la sujeción de los elemen os inales.
En el anexo “Planos”, planos 4 y 5 se han de allado odas las medidas de ambos ejes.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 30
Figu a 3.10 Eje supe io (a iba) y eje in e io (abajo)
3.6 Rodamien os y sopo e pa a odamien os
Los ac o es que in luyen en la selección de odamien os son an nume osos que es casi
imposible es ablece una egla gene al de selección. No obs an e pueden se muy ú iles los
p incipios siguien es [19]:
Pa a pequeños mon ajes se emplean gene almen e odamien os de bolas.
El amaño del odamien o queda de e minado po las ca gas que debe á sopo a y po las
exigencias sob a la du ación y la segu idad de uncionamien o.
La ca ga equi alen e en cada apoyo iene un alo de
𝑃(𝐵)= √𝑅𝑏𝑦2+𝑅𝑏𝑧2=2383,97 𝑁
𝑃(𝐶)= √𝑅𝑐𝑦2+𝑅𝑐𝑧2=733,94 𝑁
En la abla 3.6 se ecomienda que la du ación es imada pa a los odamien os sea de al menos
en e 4000 y 8000 ho as
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 3 31
Tabla 3.6 Du ación en ho as de uncionamien o en unción de la clase de máquina
Clases de máquinas
Du ación en ho as
de uncionamien o
𝐿ℎ
Ins umen os y apa a os de poco uso:
Apa a os de demos ación, disposi i os pa a maniob a de pue as
co ede as
500
Máquinas pa a se icio co o o in e mi en e cuando e en uales
pe u baciones en el se icio son de poca impo ancia:
Máquinas-he amien a manuales, apa a os de ele ación pa a alle es,
máquinas mo idas a mano en gene al, máquinas ag ícolas g úas de
mon aje, apa a os domés icos
4000-8000
Máquinas pa a se icio co o o in e mi en e cuando e en uales
pe u baciones en el se icio son de mucha impo ancia:
Máquinas auxilia es pa a cen ales de ue za, equipos de anspo e pa a
ab icación con inua en cadena, ascenso es, g úas pa a ca ga gene al,
máquinas-he amien a de poco uso
8000-12000
Máquinas pa a 8 ho as de se icio dia io, no o almen e u ilizadas:
Mo o es eléc icos es aciona ios, eng anajes pa a usos gene ales
12000-20000
Máquinas pa a 8 ho as de se icio dia io, o almen e u ilizadas:
Máquinas de alle es indus iales en gene al, g úas pa a abajo con inuo,
en ilado es, ansmisiones in e media ias
20000-30000
Máquinas pa a se icio con inuo (24 ho as dia ias):
Sepa ado as cen i ugas, comp eso es, bombas, ascenso es de minas,
mo o es eléc icos es aciona ios, máquinas de se icio con inuo en na íos
de gue a
40000-60000
Máquinas pa a 24 ho as dia ias de se icio con g an segu idad:
Máquinas pa a la ab icación de celulosa y papel, máquinas pa a el se icio
público de ue za mo iz, bombas de minas, bombas de abas ecimien os
públicos de agua, máquinas de se icio con inuo en buques de me can es
100000-200000
Se escoge po an o un alo ap oximado de ho as de uncionamien o de:
𝐿ℎ=5000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Y sabiendo que la elocidad ecomendada en apa ados an e io es es de ap oximadamen e
𝑛 = 119,41 𝑟𝑝𝑚
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 4 38
4 Conclusiones
Como conclusión al p oyec o se ha conseguido diseña un mecanismo de co e basándose en
los modelos ya exis en es y aplicando di e sas uen es de eo ía del co e así como eo ía de
diseño de ejes en e o os.
En lo e e en e a las cuchillas se han diseñado con un diáme o que ga an iza que una chapa
de dos has a dos milíme os pueda se co ada de una sola pasada. Pa a los eng anajes se ha
pa ido de unos eng anajes ec os y median e modelado 3D se han diseñado pa a ob ene de
ellos un ángulo de paso de 7,5 , además se han enca gado bajo planos a una emp esa ex e na.
Los ejes se han diseñado pa a que oda su sección ga an ice que a a sopo a las ca gas que
se gene an al co a la chapa. En el modelo inal pa a los ejes, se ha educido la dis ancia en e
los apoyos pa a los odamien os, es o es debido a que se ha modi icado la sujeción de los
odamien os con la es uc u a.
Dado que los odamien os es un p oduc o muy no malizado en el me cado la mejo opción ha
sido elegi unos a endiendo a las es ue zos que se gene an donde es os an colocados,
median e un ca álogo guía de una emp esa especializada en el sec o . Como ya se ha
comen ado, los sopo es pa a los odamien os han sido modi icados, ya que an o es uc u al
como es é icamen e esul a más con enien e que la opción de los sopo es pa a odamien os
a o nillados a la es uc u a la e almen e. En la igu a 4.1 se mues an es os sopo es, el diseño
de los mismo se ha lle ado a cabo en el p oyec o “Diseño de máquina co ado a de discos de
chapa”, ealizado po Julio Da ío de la Rosa Asencio [23].
Figu a 4.1 Elemen os de sopo e del sis ema de co e
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 4 39
Cada sopo e cons a de 3 piezas las cuales se a o nillan en e sí, cada conjun o de dos piezas
albe ga a un odamien o.
En las siguien es igu as (4.2, 4.3 y 4.4) se exponen a modo ilus a i o los conjun os 3D
mon ados median e Solid Edge V20.
Figu a 4.2 Vis a isomé ica del conjun o del mecanismo de co e
Figu a 4.3 Vis a de pe il del conjun o del mecanismo de co e
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 4 40
Se ha conseguido pues, el diseño y mon aje median e p og amas CAD de oda la máquina,
consiguiendo hace coincidi las medidas necesa ias pa a que el mecanismo de co e pueda se
anclado a odo el sopo e diseñado p oyec o an e io men e mencionado. Todo el mon aje se
ha ealizado en colabo ación del au o de dicho p oyec o Julio Da ío de la Rosa Asencio.
Figu a 4.4 Conjun o comple o de máquina co ado a de discos de chapa.
Un aspec o impo an e a conside a se ía el p ecio de adqui i la máquina di ec amen e en el
me cado y sal a se odo el p oceso de diseño y ab icación pe o obse ando los p ecios en el
me cado pa a ob ene una máquina de es as ca ac e ís icas esul a mucho más iable diseña ,
ab ica y/o comp a las piezas necesa ias dada la capacidad que iene el alle de la Escuela
Técnica Supe io de ab ica elemen os como los ejes o los sopo es pa a odamien os.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 5 41
5 T abajos u u os
Como ampliación al p oyec o ealizado se p oponen una se ie de posibles mejo as o cambios
en el mecanismo así como en la ac uación sob e es e.
En lo ela i o a l mecanismo de co e emplea el mínimo de ma e ial necesa io, po ejemplo en
los ejes, donde se pod ía habe educido el coe icien e de segu idad has a el lími e en el que se
asegu a a co a chapas de has a 2 mm de espeso sin ene que p eocupa nos de las ue zas
que se gene an en los p opios ejes.
Respec o a las cuchillas, se pod ía aho a ma e ial y usa cuchillas de meno diáme o ideando
un sis ema de co e po ejemplo en dos pasadas.
Gene a eng anajes cuya conicidad sea de unos 7,5 esul a una a ea ediosa, se p opone un
diseño en el que se ob engan eng anajes po undición con pos e io mecanizado pa a
aba a a cos es ya que el diseño bajo planos po o no o esado a CNC a emp esas ex e nas
no es el mé odo más económico.
En lo ela i o a la ac uación del mecanismo se p opone diseña un mecanismo de
accionamien o median e mo o eléc ico, sup imiendo así el es ue zo manual po pa e del
ope a io.
Finalmen e dada la al a de iempo y que el iempo que equie e ab ica odas las piezas es
la go, se deja como abajo u u o la ab icación del mecanismo y jun o con el p oyec o
“Diseño de máquina co ado a de discos de chapa”, [23], el cuál complemen a a es e p oyec o
y desc ibe el diseño de la es uc u a que sos iene al mecanismo de co e aquí diseñado,
ab ica la máquina comple a ya sea po los mé odos desc i os en es e p oyec o como
implemen ando las p oposiciones de mejo a de es e apa ado.
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 6 42
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Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Capí ulo 6 43
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[22] Dp o. de ingenie ía mecánica y de ab icación, “Apun es de ab icación”.
[23] “Diseño de máquina co ado a de discos de chapa” (T.F.G. Au o : Julio Da ío de la Rosa
Asencio)
Diseño del mecanismo de co e pa a máquina co ado a de discos de chapa
Anexo 44
Anexo. Planos
En el siguien e anexo se ecogen los planos de odas las piezas que componen el mecanismo
de co e que se han modelado median e Solid Edge V20, los planos de la es uc u a de la
máquina co ado a de discos de chapa pueden encon a se en el p oyec o complemen a io a
es e “Diseño de máquina co ado a de discos de chapa” [23].
A con inuación se mues a el indicie de los planos.
Plano 1 Cuchilla in e io
Plano 2 Cuchilla supe io
Plano 3 Eng anaje cónico angula
Plano 4 Eje in e io
Plano 5 Eje supe io
Plano 6 Manilla de mani ela
Plano 7 Palanca de mani ela
Plano 8 Sopo e odamien o
Plano 9 Conjun o del mecanismo de co e
Dibujado
Comp obado
Sal o indicación con a ia
co as en milíme os
ángulos en g ados
ole ancias ±0,5 y ±1º
Nomb e
SIEMENS UGS PLM So wa e
Tí ulo
A3
Plano
A chi o: Cuchilla_in e io .d
Escala Hoja 1 de 1
UGS SOLID EDGE
A
A
CORTE A-A
10
20
10
32°
O
65
O
40
O
30
16
O
5
1 x 45° 1 x 45°
18,3
Ca los Daza Peleg ina
A.E.U
2:1
1
Cuchilla in e io
A
A
Dibujado
Comp obado
Sal o indicación con a ia
co as en milíme os
ángulos en g ados
ole ancias ±0,5 y ±1º
Nomb e
SIEMENS UGS PLM So wa e
Tí ulo
A3
Plano
A chi o: Cuchilla_supe io .d
Escala Hoja 1 de 1
UGS SOLID EDGE
CORTE A-A
O
65
O
30
16
O
20
10 10
1 x 45° 1 x 45°
1 x 45°
O
52,3
18,3
15°
5
Ca los Daza Peleg ina
A.E.U
2:1
Cuchilla supe io
2
Dibujado
Comp obado
Sal o indicación con a ia
co as en milíme os
ángulos en g ados
ole ancias ±0,5 y ±1º
Nomb e
SIEMENS UGS PLM So wa e
Tí ulo
A3
Plano
A chi o: Eng anaje.d
Escala Hoja 1 de 1
UGS SOLID EDGE
A
ACORTE A-A
7,4°
25
22,8
R10
7,46
3,54
3,93
124,2
130
135
128
123,6
117,9
6
7,85
3,92
3,93
Ca los Daza Peleg ina
A.E.U
1,3:1
3
Eng anaje cónico angula