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Aplicación Del Método Científico y Método Empírico
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Método científico y Empírico Diseño de Taladros
Teoría y Diseño de Sistemas
Presentado por: Xavier Ricardo Carbal Ortega
Honorable maestro Ing. Ramiro A. Venegas Ortega
Grupo 2
Departamento de Ingeniería Industrial Facultad de Ingeniería
Universidad del Atlántico Barranquilla 2015
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
DISEÑO APLICANDO EL MÉTODO CIENTÍFICO
1. ETAPA 1. OBSERVACIÓN: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2. ETAPA 2. ESTADO DEL ARTE: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
3. ETAPA 3. HIPOTESIS: ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN
4. ETAPA 4. ESTRUCTURACIÓN MATEMÁTICA Y DEDUCCIÓN
5. ETAPA 5. EXPERIMENTACIÓN: VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS 5.1. PRUEBAS DE LABORATORIO 5.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS
6. ETAPA 6. TEORÍA: DISEÑO FINAL VALIDADO
DISEÑO APLICANDO EL MÉTODO EMPÍRICO
1. ETAPA 1. OBSERVACIÓN. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA
2. ETAPA 2. HIPÓTESIS. DISEÑO
3. ETAPA 3. PRUEBAS EXPERIMENTALES
CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
Para llegar a un conocimiento objetivo, es decir, que corresponda a la realidad que se
estudia, es necesario que el conocimiento científico se construya recorriendo un largo
camino en el que se vinculen niveles de abstracción, se cumplan determinadas
principios metodológicos y se cubran diversas etapas en el proceso.
La adquisición del conocimiento empírico, se inicia al entrar en contacto los órganos de
los sentidos con el mundo exterior a través de la actividad que el hombre realiza
diariamente, lo cual le ha permitido acumular valiosas experiencias a la largo de su
historia. En cambio, en el conocimiento científico se requiere la actitud conjunta de los
órganos sensoriales y del pensamiento, apoyada en la reflexión teórica guida por una
serie de principios y reglas con la finalidad de descubrir lo que el conocimiento
empíricoespontáneo no puede captar: la esencia de los procesos, acontecimientos y
objetos; lo que implica conocer las causas por las cuales surgieron, se desarrollan y
modifican, es decir, el conocimiento de las leyes del desarrollo de la naturaleza y la
sociedad [1].
El conocimiento científico no se contrapone al conocimiento empírico, sino más bien lo
supera, puesto que va más allá de la simple descripción o del establecimiento de
tendencias empíricas elementales de los fenómenos las cuales representan, pero no
toman en cuenta los nexos internos que sólo pueden ser descubiertos recurriendo al
pensamiento abstracto (conceptos, hipótesis, leyes, formulaciones matemáticas, teorías).
En ese orden de ideas y con el propósito de poner en práctica ambos métodos, tanto el
científico como el empírico, se ha llevado a cabo el diseño de un artefacto ampliamente
utilizado en los procesos de maquinado, como lo es “el taladro”. Aunque parezca muy
sencillo y nada magnífico a primera vista, el maquinado de orificios es una de las
operaciones más importantes en la manufactura. En la producción de motores de
automóviles, el costo de maquinado de orificios es uno de los mayores. El taladrado es
uno de los procesos más importantes y más comunes del maquinado de orificios.
Para hacerse evidente la implementación de los métodos empírico y científico, se han
dividido intencionalmente el documento en dos capítulos, que a su vez se dividen en
etapas acordes con los pasos normalmente seguidos en cada una de estas dos
metodologías.
En el capítulo I, se implementa el método científico y sus correspondientes etapas de
observación, fundamentación teórica, hipótesis, estructuración abstracta,
experimentación y teoría (Diseño final validado).
En el capítulo II, se implementa el método empírico, con sus correspondientes etapas de
observación, hipótesis y pruebas experimentales.
Capítulo I. DISEÑO APLICANDO EL MÉTODO CIENTÍFICO
El método científico se hace concreto en las diversas etapas o pasos que se deben dar
para solucionar un problema. Esos pasos son las técnicas o procesos. El trabajo
científico siempre implica el compromiso entre teoría y experiencia, ya que ningún acto
empírico del investigador está libre de ideas preconcebidas, toda idea científica debe ser
comprobada y demostrada.
Al observar diversos productos que nos rodean vemos que la gran mayoría de ellos
tienen varios orificios. En general, los orificios se utilizan para ensamblar con
sujetadores tales como pernos, tornillos o remaches (todos requieren un orificio) o para
tener acceso al interior de una pieza. Nótese, por ejemplo, la cantidad de remaches en el
fuselaje de un avión, o de los tornillos de un monoblock y otros componentes bajo el
cofre de un automóvil [2].
El maquinado de orificios es una de las operaciones más importantes en la manufactura
y los costos son también significativos durante el maquinado. Es por eso que existe la
necesidad de diseñar una herramienta capaz de realizar dicho trabajo de la forma más
eficientemente posible.
ETAPA 1. OBSERVACIÓN: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Una compañía automotriz, desea taladrar orificios en una lámina de aleación de
magnesio con un diámetro de 10mm, un avance de 0.25 mm/rev, con el husillo girando
a 800rpm. El taladro debe ser diseñado para cumplir estrictamente con dichas
especificaciones debido al sellado hermético de los bloques y para evitar vibraciones en
el mismo.
ETAPA 2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA O ESTADO DEL ARTE.
La fuerza de empuje en el taladro tiene dirección perpendicular al eje del oficio; si esta
fuerza es excesiva puede hacer que la broca se doble o se rompa. Una fuerza excesiva
de empuje también puede distorsionar la pieza, en especial sino tiene una rigidez
suficiente, o puede hacer que la pieza se deslice en su suporte.
La fuerza de empuje va desde unos Newton con brocas pequeñas has 100kN (22.5klb)
cuando se taladran materiales de gran resistencia con brocas grandes. De igual manera,
el par de taladrado puede llegar hasta los 4000 Nm (3000 pies-lb). La fuerza de empuje
depende de factores como a) resistencia del material de la pieza, b) el avance, c) la
velocidad de rotación, d) el diámetro de la broca, e) la geometría de la broca y f) el uso
de fluidos de corte.
El avance en el taladro es la distancia que recorre la broca por revolución, al penetrar en
el material de la pieza.
ETAPA 3. HIPOTESIS: ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN
Es esencial conocer la magnitud del par de torsión en el taladro para estimar la potencia
requerida. Un par muy grande puede torcer la pieza o hacer que se deslice en su
soporte. Observando que la potencia disipada durante el taladrado es el producto del par
por la velocidad de giro, el par sobre la broca puede ser calculado determinando primero
la rapidez de remoción del material.
Aunque los taladros se construyen en una gran variedad de tipos y tamaños, todas las
máquinas tienen ciertas partes básicas.
Las partes principales de los modelos de banco y de piso, son: base, columna, mesa y
cabeza taladradora.
Suele ser de hierro fundido, sirve para darle estabilidad a la máquina y, también, como
montaje rígido para la columna.
La base suele tener agujeros para poder atornillarla en una mesa o banco.
Las ranuras o costillas en la base permiten sujetar la herramienta sujetadora de la pieza
de trabajo o ésta, en la base.
La columna es cilíndrica, de precisión y se monta en la base.
La mesa, que está instalada en la columna, se puede subir o bajar a cualquier punto entre
la base y la cabeza.
La cabeza del taladro se monta cerca de la parte superior de la columna.
La mesa Puede ser redonda o rectangular, se utiliza para soportar la pieza que se va a
trabajar.
La mesa, cuya superficie está a 90° con la columna, se puede elevar, descender o girar
en torno a la columna.
En algunos modelos, es posible inclinar la mesa en ambos sentidos para taladrar
agujeros en ángulo.
La mayor parte de las mesas tienen ranuras para sujetar matrices, dispositivos; o piezas
de trabajo grandes directamente en ella.
La cabeza taladradora está montada cerca de la parte superior de la columna, aloja el
mecanismo para hacer girar la herramienta de corte y hacerla avanzar hacia la pieza de
trabajo.
El husillo, es un eje redondo que sujeta e impulsa la herramienta de corte, está dentro de
un manguito o camisa para el husillo.
El manguito se desliza hacia arriba y hacia abajo dentro de la cabeza, para producir el
avance de la herramienta de corte.
En cuanto a la broca, estas son:
Herramienta de dos filos.
Presenta dos ranuras helicoidales receptoras de viruta.
La punta de la broca esta afilada en forma cónica
Material: Aceros Rápidos
ETAPA 4. ESTRUCTURACIÓN ABSTRACTA: MATEMÁTICA Y DEDUCCIÓN
La rapidez de remoción de material (RRM) en el taladro es el volumen de material
sacado por la broca por unidad de tiempo. Para una broca con diámetro D, el área
transversal del orificio taladrado es 𝜋𝐷2/4. La velocidad de la broca, perpendicular a
la pieza, es el producto del avance f (la distancia que penetra la broca en una
revolución) por la velocidad de rotación N del husillo, siendo 𝑁 = 𝑣/𝜋𝐷. Así:
Se puede comprobar la validez dimensional de esta ecuación, observando que
, que es la unidad correcta del volumen
removido por unidad de tiempo [2].
La velocidad de corte v, por su parte, es la velocidad superficial en el diámetro exterior
de la broca (Conveniencia).
De acuerdo con la hipótesis planteada y con los requerimientos de diseño, se procede a
calcular la rapidez de remoción del material con la ecuación (1).
Para aleaciones de magnesio se toma una potencia unitaria promedio de 0.5 Ws/mm3.
Así, la potencia requerida es
Potencia=(210)(0.5)=105W
La potencia es el producto del par de torsión sobre la broca por la velocidad de rotación,
que en este caso es radianes por segundo.
Si 𝑊 = 𝐽/ y 𝐽 = 𝑁𝑚, entonces
ETAPA 5. EXPERIMENTACIÓN: VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS
5.1. PRUEBAS DE LABORATORIO
Prueba de virutas:
El estudio de las virutas generadas durante el proceso de maquinado es de gran
importancia, ya que la forma y el color de la viruta, se asocian a parámetros de corte
tales como la: velocidad de corte, la profundidad del corte, el avance, los ángulos de
ataque, etc.
Materiales:
Bloque de aleación de magnesio
Brocas de acero rápido con recubrimiento de nitruro de titanio.
Suporte de sujeción
Taladro diseñado
Cronómetro
Metodología:
Se taladra un total de 30 orificios durante un tiempo de 1 minuto. Luego se mide y se
cuenta la cantidad de espiras por viruta y se relacionan la velocidad de corte con el
avance.
Prueba de torsión y vida de las brocas:
El uso de brocas desafiladas aumenta las fuerzas y potencia, causando daños en la
superficie y produce orificios faltos de exactitud
Materiales:
Bloque de aleación de magnesio
Brocas de acero rápido con recubrimiento de nitruro de titanio.
Suporte de sujeción
Taladro diseñado
Dinamómetro
Metodología
El procedimiento de prueba consiste en sujetar un bloque de material sobre un
dinamómetro adecuado, o transductor de fuerza, y taladrar varios orificios, anotando al
mismo tiempo el par de torsión y la fuerza durante cada operación. Después de haber
taladrado varios orificios, comienza a aumentar el par de torsión y la fuerza, porque la
herramienta se está desafilando. La vida de la broca se define como la cantidad de
orificios taladrados hasta que comienza esta transición.
También se pueden usar otras técnicas, como por ejemplo vigilar la vibración y la
emisión acústica para determinar la vida de las brocas. Esta técnica tiene importancia
especial en operaciones controladas por computadora.
5.1. RESULTADOS
ETAPA 6. TEORÍA: DISEÑO FINAL VALIDADO
Se ha diseñado una maquina electromecanica cuya
función principal consiste en hacer agujeros o cortes
con moldes en cualquier tipo de material, metal,
madera, plástico, etc.
El funcionamiento del motor consiste en el impulso
del husillo por medio de un par de poleas de 5 tiempos
que corren alrededor de una cinta la cual es altamente
resistente, este movimiento se podría explicar como
diciendo que el motor actúa como conductor y el
husillo
como conducido.
SUBSISTEMAS:
Subsistema de potencia: conformado por un motor,que contiene dos polos (imanes) en
sus extremos, y un eje en el centro rodeado de de alambre de cobre.
Subsistema de transmisión: el eje hueco del husillo, sujeto a la parte superior del taladro
y esta a su vez es girada por las poleas, este se podria decir que este es el sistema mas
importante de la máquina.
Subsistema de sujeción: este se divide en dos microsistemas más pequeños:
1. superior: más conocido como mandril, sujetado por el husillo
2. inferior: justo encima de la base del taladro, se halla la prensa, consta de un seguro
que la sujeta al eje vertebral de la máquina, y una varilla que sujeta el material para
que quede seguro frente a la herramienta.
Características técnicas: Potencia 130 W R.p.m 0 - 1200 Rpm Capacidad portabrocas 1,0 - 12 mm Capacidad máx. en metal 12 mm Peso 18 Kg Longitud del cable 2,5 m Dimensiones. LxAnxAl 261 x 68 x 199 mm Velocidad variable (interruptor) Gancho para el cinturón Portabrocas automático Emisión de vibración 2,50 m/seg² Incertidumbre (K) de vibración 1,50 m/seg² Presión sonora 79,00 dB(A) Potencia sonora 85,00 dB(A) Incertidumbre (K) sonora 3,00 dB(A)
Capítulo II.
DISEÑO APLICANDO EL MÉTODO EMPÍRICO
Los métodos empíricos están basados en el hecho, la observación, la medición y el
experimento.
El hecho es un fragmento de la realidad objetiva que puede captarse con los
instrumentos materiales e incluso determinados hechos pueden ser captados por los
órganos de los sentidos.
La observación: es el primer procedimiento de carácter empírico, en el cual pueden
distinguirse:
i. el objeto de la observación,
ii. el sujeto de la observación,
iii. los medios para la observación,
iv. el sistema de conocimientos a partir del cual se formula la finalidad de la
observación y se interpretan los resultados de ésta.
Observar no es pasar la vista por encima, sino buscar unos elementos de juicio
siguiendo un orden conceptual, ya que unos "datos" desnudos constituyen elementos de
juicio o pruebas presupone ya que habrán de funcionar dentro de cierto marco
inferencial: por diversas razones, el acopio de datos a ciegas es probablemente
imposible, puesto que, incluso a los niveles mínimos de la percepción, existe siempre,
ya funcionando, algún marco racional selectivo, y no cabe la menor duda de que, al
nivel de la observación científica, lo que llamamos "observación" y lo que titulamos
"inferencia" están indisolublemente ligados [3].
La medición: consiste en observar y registrar minuciosamente todo aquello que en el
objeto de estudio seleccionado y de acuerdo con la teoría, sea relevante. Los registros
obtenidos de la medición son datos que se pueden aplicar utilizando operaciones lógico
matemáticas, y que pueden pertenecer a la escala nominal, ordinal, de intervalo o de
razón. La información así obtenida puede ser de carácter cualitativo y cuantitativo.
El experimento : puede definirse como el procedimiento diseñado para manipular
variables en condiciones especiales que permitan poner en juego algunas variables para
observar su comportamiento y lograr así descubrir la esencia de un objeto de estudio.
ETAPA 1. OBSERVACIÓN. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA
i. El objeto de la observación: Determinar experimentalmente las características
técnicas necesarias para el diseño de un taladro, que permite hacer orificios de
10mm en un bloque de aleación magnesio, un avance de 0.25 mm/rev, con el husillo
girando a 800rpm.
ii. El sujeto de la observación: Taladro
iii. Los medios para la observación: Talento humano, piezas de ensamble, motor,
bloques metálicos con aleación, brocas metálicas con diferentes recubrimientos,
variadores de velocidad, instrumentos de medida (cronómetros, calibradores,
torquimetro, dinamómetro)
iv. El sistema de conocimientos a partir del cual se formula la finalidad de la
observación y se interpretan los resultados de ésta. Esta dado por los conocimientos
previos del observador, que pudieron ser adquiridos mediante la experiencia o el uso
rutinario de los materiales y procedimientos [3].
ETAPA 2. EXPERIMENTACIÓN Y MEDICIONES
Método experimental:
La pieza se coloca en una mesa ajustable, prensándola directamente en las ranuras y
orificios de la mesa, o con un tornillo de banco, que a su vez se puede sujetar a la mesa.
La broca se baja manualmente mediante un volante o con el avance adecuado con
velocidad baja prestablecida.
Para mantener las velocidades correctas de corte en los filos de las brocas, se debe
ajustar paulatinamente la velocidad del husillo de acuerdo con el diámetro de la broca,
que en este caso es de 10mm. Los ajustes se hacen mediante poleas, cajas de engranaje
o motores de velocidad variable.
Una vez ajustada la velocidad se determina la potencia requerida, ajustando la demanda
de corrientes en los devanados del motor. Obtenida la potencia necesaria para penetrar
el material, se determina el trabajo ajustando la velocidad de corte nuevamente.
Para obtener un avance de 0.25 mm/rev, deben hacerse orificios reiterados (cuantos sean
necesarios, prueba de ensayo y error) sobre el material, y medir cada una de las
perforaciones hasta llegar al avance requerido.
Durante las pruebas experimentales, pueden suceder los siguientes casos [2]:
Desgaste excesivo de la broca: Lo cual indica que la velocidad de corte es muy alta;
ángulo de ataque demasiado alto; broca dañada, material o recubrimiento inadecuado.
Orificios ahusado: Lo cual indica que la broca se encuentra desalineada; ángulo de
gavilanes desiguales; ánima descentrada.
Rotura de la broca: Avance demasiado alto; la broca se aferra al orificio por
acumulación de rebabas en los surcos.
ETAPA 3. DISEÑO Y RESULTADOS
Una vez realizadas los experimentos se han tabulado los resultados, los cuales son
resumidos en tablas, como las siguientes:
Dichos resultados obtenidos experimentalmente, permiten ajustar la velocidad
superficial del taladro diseñado, el avance y las RPM del motor. Además la pruebas
hechas para diferentes materiales y aleaciones permiten identificar en que rangos y bajo
que condiciones pueden ser utilizadas las brocas del taladro.
CONCLUSIÓN Mediante el diseño de un dispositivo de maquinado se han aplicado el métodos científicos y el método experimentales o empíricos. De los cuales se puede aseverar las siguientes conclusiones:
El método científico es una sucesión de pasos debidamente organizados. En los cuales se plantean los problemas científicos y se ponen a prueba las hipótesis y los instrumentos de trabajo investigativo. Caracterizado por ser tentativo, de razonamiento riguroso y verificable empíricamente.
En el método científico se conjugan la inducción y la deducción, es decir, se da un pensamiento reflexivo.
Son evidentes las etapas llevadas a cabo para el diseño del taladro, teniendo en cuenta un orden y basándose en conceptos y deducciones matemáticas, que demuestran una hipótesis inicial, verificable en la mediante la experimentación.
El método empírico se presenta mediante la manipulación de una o más variables experimentales no comprobadas, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento.
En el método empírico, mediante el experimento se introducen determinadas variables de estudio manipulas para controlar el aumento o disminución de dichas variables y su efecto en las conductas observadas. En el experimento, se maneja de manera deliberada la variable experimental y luego se observa que ocurre en condiciones controladas.
En el método empírico, la manipulación experimental de variables físicas como la velocidad, el torque y la potencia, permitieron llegar a un diseño final, basándose en una idea problemática o idea preconcebida (hipótesis) sin demostración.
Bibliografía
1. R. Moguel, Metodología de la Investigación, México: Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, 2005.
2. K. Schmid, Manufactura Ingeniería y Tecnología, México: Prentice Hall, 2008.
3. S. Bravo, La ciencia su método y su historia, México: UNAM, 1997.
