Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánicarepositorios.unimet.edu.ve/docs/30/TJ146B73O8.pdf · Al Profesor Emil Friedman por guiarnos en nuestros primeros pasos. Al

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Mecánica

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO

INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR

Marco Bramanti Ostilla y Pedro J. Ramírez Baldo.

Tutor Académico: Ing. José M. Marino.

Caracas, Octubre de 2003

DERECHO DE AUTOR

Quienes suscriben, en condición de autores del trabajo titulado “ESTUDIO DE

PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORTE

CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR”,

declaramos que: Cedemos a titulo gratuito y en forma pura y simple, ilimitada e irrevocable

a la Universidad Metropolitana, los derechos de autor de contenido patrimonial que nos

corresponden sobre el presente trabajo. Conforme a lo anterior, esta sección patrimonial

solo comprenderá el derecho para la Universidad de comunicar públicamente la obra,

divulgarla, publicarla o reproducirla en la oportunidad que ella así lo estime conveniente,

así como, de salvaguardar nuestros intereses y derechos que nos corresponden como

autores de la obra antes señalada. La Universidad en todo momento deberá indicar que la

autoría o creación del trabajo corresponden a nuestra persona, salvo los créditos que se

deben hacer al tutor o a cualquier tercero que haya colaborado o fuere hecho posible la

realización de la presente obra.

Marco Bramanti Ostilla Pedro J. Ramírez Baldo C.I: 14201611 C.I. 14534660

Autores

En la cuidad de Caracas, al primer día del mes de Octubre del año 2003.

APROBACIÓN

Considero que el Trabajo Final titulado

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE

CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR

Elaborado por los ciudadanos

Marco Bramanti O. y Pedro J. Ramírez B.

Para optar al título de

INGENIERO MECÁNICO

reúnen los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad

Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser sometidos a la presentación y

evaluación exhaustiva por parte del jurado examinador que se designe.

En la cuidad de Caracas, a los 3 días del mes de Octubre del año 2003.

Tutor Académico: Ing. José M. Marino

ACTA DE VEREDICTO

Nosotros, los abajo firmantes constituidos como jurado examinador y reunidos en Caracas,

el día 01 de octubre del año 2003, con el propósito de evaluar el Trabajo Final titulado

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA

MÁQUINA DE CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES

DE ½” DE ESPESOR

Presentado por los ciudadanos

Marco Bramanti O. y Pedro J. Ramírez B.

Para optar al título de

INGENIERO MECÁNICO

Emitimos el siguiente veredicto

Reprobado Aprobado Notable Sobresaliente

Observaciones:

Angel Malaguera José M. Marino Javier de Anta

AGRADECIMIENTOS

A Dios por darnos la vida e iluminar nuestro camino.

A nuestros padres, por su perseverancia, sabios consejos y apoyo incondicional durante

el transcurso de nuestras vidas, sin ustedes no hubiese sido posible que llegáramos a ser

lo que somos hoy en día, este trabajo es de ustedes.

A nuestros Hermanos y Hermana, por su cariño, amistad y apoyo.

A nuestras novias por soportarnos durante la carrera y apoyarnos en los momentos mas

difíciles y angustiosos, gracias.

A nuestros compañeros por hacer los años de la universidad mas agradables e

inolvidables, nunca los olvidaremos colegas.

Al Profesor Emil Friedman por guiarnos en nuestros primeros pasos.

Al Profesor Germán Crespo, por sus siempre sabios y oportunos consejos de vida.

A todos mil gracias.

INDICE Lista de tablas y figuras………………………………………………………………...IV

Resumen………………………………………………………………………………..VI

Introducción……………………………………………………………………………...1

1. Marco Teórico………………………………………………………………………...3

1.1Generalidades…………………………………………………………………….3

1.2 Dos métodos de corte - un solo principio………………………………………..6

1.2.1 Corte con agua pura………………………………………………………..6

1.2.2 Corte hidro-abrasivo……………………………………………………….6

1.3 Campo de aplicación del corte por chorro de agua ……………………………9

1.4 Aceros y sus Propiedades.……………………………………………………...10

1.4.1 Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión………………….11

1.4.2 Aceros aleados y elementados de aleación……………………………….13

1.4.3 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión…………………………….15

2. Marco Metodológico……………………………………………………………...…18

2.1 Fuerza y energía requerida para el corte.……………………………………....18

2.2 Energía del chorro de agua.…………………………………………………….20

2.2.1 Calculo de la presión de la bomba para flujo de agua pura………………20

2.2.2 Cálculo de la presión de la bomba para un flujo mezcla de agua y otro

elemento elevador de la densidad………………………………………………22

2.2.3 Estimación experimental de la energía del chorro de agua abrasivo……..24

2.3 Estudio del tipo y características que debe reunir el abrasivo………………….34

2.4 Sistema de mezclado del agua con el abrasivo…………………………………39

2.4.1 Estudios de las diferentes alternativas……………………………………40

2.5 Tubo Mezclador…………………………………….………………………….58

II

2.5.1 Carburo de tungsteno (WC) ……………………………………………...58

2.5.2 Otras Alternativas………………………………………………………...61

2.5.3 Diseño del perfil interior………………………………………………….62

2.5.4 Tipos de Materiales de Construcción……………………………………..69

2.5.5 Propiedades de los materiales empleados en los tubos mezcladores……..70

2.6 Bomba de alta presión………………………………………………………….72

2.6.1 Bombas Volumétricas…………………………………………………….72

2.6.2 Valores importantes a tener en cuenta en el diseño de una bomba……….74

2.6.3 Irregularidad del caudal…………………………………………………..74

2.6.4 Bomba de Pistones en Línea……………………………………………...78

3. Resultados y Análisis………………………………………………………………82

3.1 Estudio funcional del sistema…………………………………………………..82

3.1.1 Filtro……………………………………………………………………..84

3.1.2 Sistema de bombeo Aqua-Dyne EK 5……………………………………85

3.1.3 Componentes de enlace…………………………………………………..85

3.1.4 Válvula de seguridad y descarga. Válvula solenoide de Bloqueo………..86

3.1.5 Manómetro……………………………………………………………….91

3.1.6 Válvula solenoide (secundaria)…………………………………………..92

3.1.7 Acumulador de presión…………………………………………………...92

3.1.8 Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria) ……………………………….95

3.1.9 Componente de enlace……………………………………………………95

3.1.10 Tolva de abrasivo……………………………………………………….95

3.1.11 Componente de enlace………………………………………………….95

3.1.12 Cabezal abrasivo………………………………………………………..95

3.1.13 Lámina a cortar…………………………………………………………95

III

3.1.14 Unidad colectora…...……………...……………………………………96

3.2 Control de coordenadas……………………...…………………………………97

3.2.1 Sistemas de control…………………….…………………………………97

3.2.2 Mesas de corte X – Y……………………………………………………100

3.3 Parámetros que influyen en el proceso de Maquinado Hidro-abrasivo………110

3.4 Estudio aproximado de costo de fabricación de la máquina…..……………...112

Conclusiones………………………………………………………………………….113

Bibliografía……………………………………………………………………………115

Apéndice………………………………………………………………………………117

Lista de Tablas y Figuras.

1. Diagrama de la Máquina………………………………………………………………4

2. Cabezas de Corte……………………………………………………………………...7

2.1. Punzonado…………………………………………………………………………18

2.2. Tobera……………………………………………………………………………...21

2.3. Balance de energía durante el proceso de corte por chorro de agua y abrasivos…..24

2.4. Formación de estrías durante el corte…………………………………….………..25

2.5. Comparación entre el corte ideal y el corte real en el maquinado por chorro de agua

abrasivo…………………………………………………………………………………29

2.6. Modelo parabólico del proceso de corte por chorro de agua abrasivo…………….30

2.7. Relación entre la presión generada por la bomba y el espesor de corte de la chapa

de acero inoxidable……………………………………………………………………..31

2.8. Origen del microvirutamiento……………………………………………………..33

2.9. Mezclado por gravedad.…………………………………………………………...40

2.10. Mezclado por gravedad a igual presión.…………………………………………42

2.11. Mezclado por efecto Venturi…………………………………………………….43

2.12. Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura"……..45

2.13. Regulación manual del caudal..…………………….…………………………….50

2.14. Regulación por medio de un caudalímetro..……………………………………...52

2.15. Dosificación por medio de placa orificio..……………………………………….53

2.16. Carburos cementados..……………………………………………………………60

2.17. Plano de fabricación del tubo mezclador…………………………………………62

2.18. Plano de fabricación…………………...…………………………………………63

2.19. Modos de desgaste en el interior del tubo mezclador……………………………64

2.20. Desgaste debido a dos casos de centrado deficiente entre la tobera de agua y el

tubo mezclador..………………………………………………………………………..65

2.21. Representación esquemática del proceso de desgaste que sufre este tipo de

perfil….…………………………………………………………………………………66

2.22. Nuevo diseño del tubo mezclador (diseño B)……………….……………………66

2.23. Desgaste función del tiempo de trabajo. Material(B4C)….………………………67

2.24. Diseño (C) del tubo mezclador…..……………………………………………….67

2.25. Plano de fabricación del nuevo diseño…...………………………………………68

2.26. A) Diagrama del caudal instantáneo……………………………………………..76

B) Grado de irregularidad de las bombas de émbolos……..……………………76

2.27. Bomba de 3 pistones en línea, en disposición vertical...…………………………78

2.28. Restricción (tobera)..………………………………….………………………….79

2.29. Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5..………………………………………81

3.1. Diagrama Principal...………………………………………………………………82

3.2. Esquema interno de una válvula limitadora de presión de acción directa.…...……87

3.3. Esquema interno de una válvula de seguridad y descarga…………………………89

3.4. Variación de la presión de trabajo de la bomba principal…………………………90

3.5. Acumulador de gas, de membrana o vejiga….………….…………………………94

3.6. Software de Control Numérico de la empresa OMAX….…………………………98

3.7. Software aplicado al corte por chorro de agua y abrasivos…..……………………99

3.8. Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte………101

3.9. Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte….…………………………103

3.10. Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte……….105

3.11. Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte………..……………………107

VI

VI

RESUMEN

Titulo del Proyecto:

Estudio de prefactibilidad para la construcción de una máquina de corte con

agua para láminas de acero inoxidables de ½” de espesor.

Autores: Marco Bramanti Ostilla

Pedro J. Ramírez Baldo

Tutores: Ing. José M. Marino

Ing. Angel Malaguera

Fecha: Octubre 2003

El presente trabajo tiene como objetivo principal, como su nombre lo

indica, hacer un estudio de prefactibilidad para la construcción de una máquina

capaz de cortar láminas de acero inoxidables de ½” de espesor con presión de

agua. En principio el estudio se basó en la utilización de agua pura como medio

de corte, pero según los cálculos e investigaciones realizadas nos llevaron a

concluir que era físicamente imposible, por ello implementamos la utilización de

materiales abrasivos que junto con el agua servirían ahora como medio de corte.

En cuanto a la naturaleza del proyecto intentamos realizar dentro de

nuestras posibilidades un estudio lo mas sencillo posible en comparación con las

máquinas tradicionales existentes en el mercado, y que se adaptara a los

requerimientos del Instituto Tecnológico Experimental de la Victoria.

Universidad Metropolitana

INTRODUCCIÓN

La globalización y la elevada competencia de la industria a nivel mundial ha

acelerado el desarrollo de nuevas tecnologías a niveles en los que hace apenas pocos

años atrás solo podíamos soñar, con el objetivo de hacer los procesos mas rápidos,

eficientes y mas amistosos con el medio ambiente.

Tradicionalmente el corte de láminas de acero inoxidable, es realizado por

medio de plasma, este tipo de corte tiene varios inconvenientes, entre los cuales

tenemos:

• Deja escoria, lo que acarrea un tiempo de trabajo posterior para retirar la

misma.

• La zona de corte está sometida a calentamiento, lo cual produce cambios en

la estructura del material.

• En la zona afectada por el calor, aparece una aureola que perjudica su

terminación estética, por lo tanto en el caso de retirarla habría que someterla a

un lijado que equivaldría a un 70 % del tiempo de trabajo.

Los procedimientos mas innovadores como el de corte de láminas de acero

inoxidables con chorro de agua y en algunos casos abrasivos, otorgan una gran

cantidad de beneficios que han desplazado la utilización de los procesos tradicionales

mencionados anteriormente.

El objetivo de nuestro proyecto es diseñar una máquina de corte por chorro de

agua para láminas de acero de un espesor máximo de ½ pulgada, este diseño nos


2

permitirá conocer los costos estimados de fabricación de la máquina con el fin de

compararlos con máquinas ya existentes en el mercado.

Para el estudio de los factores que intervienen en el diseño de este equipo

debemos investigar primeramente sobre los distintos tipos de máquinas de corte por

chorro de agua existentes en el mercado, a fin de tener una documentación lo mas

completa posible respecto al tema. Investigaremos además sobre las diferentes

propiedades de los aceros inoxidables que queremos cortar. Realizaremos los

cálculos necesarios del sistema, cálculos estructurales, hidráulicos y selección de

materiales. Realizaremos el esquema de funcionamiento de la máquina con el

objetivo de que en un futuro se puedan realizar los planos necesarios para la

fabricación de la máquina y finalmente se calcularán los costos aproximados de

fabricación de la misma.


3

1. MARCO TEORICO:

1.1 GENERALIDADES:

A lo largo de este primer capítulo se desarrollan los aspectos teóricos que

permiten al lector familiarizarse con el presente trabajo de grado, se menciona la

necesidad de elaborar corte de láminas de acero inoxidable de ½ pulgada y se

introducen conceptos indispensables para el entendimiento de capítulos posteriores.

Las máquinas de corte por agua obtienen la energía requerida presurizando

agua a presiones muy altas y formando una corriente intensa de corte, enfocando esta

alta velocidad del agua mediante un pequeño orificio en una piedra preciosa.

Hay dos pasos principales que envuelven el proceso de corte por agua:

• La bomba de alta presión o intensificadora de presión, generalmente

presuriza agua corriente a niveles de presión por encima de los 40.000 psi

(2.760 bar); para producir la energía requerida para cortar.

• Posteriormente el agua se hace pasar a través de un pequeño orificio

para formar una corriente de corte intensa. La corriente se mueve a velocidades

2.5 veces mayor a la velocidad del sonido, dependiendo de cómo se ejerce la

presión al agua.

El proceso es aplicable tanto para chorros de agua y chorros con abrasivos

solamente. Para aplicaciones de corte con abrasivos, este es introducido en una

cámara de mezcla, la cual es parte del cuerpo de la cabeza de corte o boquilla, para

producir una coherente y extremadamente energética corriente de corte abrasivo.


4

Para alcanzar estas presiones, el agua es introducida en la unidad a través de

una bomba reforzadora y un filtro. Este proceso de filtrado es muy importante ya que

el agua debe ser purificada y limpiada antes de llegar a presiones muy elevadas, de

manera de proteger las partes de alta presión y proveer una corriente de corte

consistente. A veces puede ser necesario la utilización de un sistema de tratamiento

de agua para eliminar minerales dañinos contenidos en el agua. Luego de ser filtrada,

el agua entra a un cilindro de alta presión donde es presurizado a la presión deseada.

Fig.1 Diagrama de la Máquina

Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html 13/07/03


5

El agua es posteriormente llevada a una boquilla de corte bien sea de agua o

con abrasivos, dependiendo de la aplicación. La boquilla de corte puede ser

estacionaria o puede estar integrada a un equipo móvil, el cual permite que formas

intrincadas y diseños específicos puedan ser cortados. Los equipos móviles pueden ir

de un sistema de corte en cruz simple en máquinas con sistemas en 2D y 3D, así

como robots multi-axiales.


6

1.2 DOS MÉTODOS DE CORTE - UN SOLO PRINCIPIO

1.2.1 Corte con agua pura

Este método válido para separar tejidos, elastómeros, fibras, plásticos,

alimentación, papel y otros, se basa en agua a una presión de 4.000 bar con una

velocidad equivalente a 800-1000 m/s., que se hace pasar por un orificio diamantado

(de un diámetro de décimas de milímetro) y localizándolo hacia el material a cortar.

Así, la energía potencial se convierte en cinética, resultando en una velocidad de

chorro capaz de cortar el material.

1.2.2 Corte hidro-abrasivo

Para aquellos materiales en los que el corte con agua pura queda limitado, se

aplica el corte con abrasivo. En este método, se añade al agua un material abrasivo de

finos cantos. La unión de agua, aire y abrasivo se materializa en la cámara de mezcla

para posteriormente acelerarlo y focalizarlo. El resultado de este método es un chorro

de potente energía, capaz de cortar, separar o perforar materiales de distintos

espesores y densidad, como por ejemplo metales, cerámica, piedra natural o vidrio

blindado, entre otros.


7

Fig. 2 Cabezas de Corte Fuente: http://www.ingersoll-rand.de/IngersSpan/index.htm 15/07/03

Para realizar el corte de un material determinado necesitamos de una cierta

cantidad de energía. En el proceso de corte se produce lo que denominamos:

transformación de la energía, la energía que se entrega se transforma en energía de

deformación del material a cortar.

Ahora, todo fluido en movimiento lleva asociado una determinada cantidad de

energía (cinética). Por lo tanto este fluido deberá tener una energía mayor o igual a la

necesaria para realizar el corte. Como medio portador de energía en general,

podemos utilizar casi todos los elementos líquidos: agua, aceites, alcoholes y hasta

metales líquidos como por ejemplo el mercurio.


8

Ahora, el agua presenta una serie de ventajas con respecto a los demás:

• Existe en cantidad suficiente y en calidad requerida (potable), en casi todos

los lugares.

• Infimo costo, en su empleo, con respecto a los demás fluidos.

• Fácilmente accesible.

• No genera fuego o incendio.

• Buenas condiciones de fluidez (baja viscosidad), de lo contrario sería muy

dificultoso lograr la salida del chorro por un pequeño orificio a alta velocidad.

Por otro lado, el aire también está totalmente descartado como fluido portador

de energía:

• Elevado costo para lograr altas velocidades en el fluido (túnel de viento).

• Muy baja energía cinética ( ρaire = ρagua / 1000).

• Muy difícil de lograr un efecto puntual debido a la alta dispersión al salir de

la tobera.


9

1.3 CAMPO DE APLICACIÓN DEL CORTE POR CHORRO DE AGUA

La flexibilidad de la Tecnología del corte por chorro de agua encuentra su

campo de aplicación en casi todo tipo de industria: aeronáutica y automoción,

construcción, máquina herramienta, industria del vidrio, industria maderera, industria

textil y de papel, subcontratación, así como la industria eléctrica y de alimentación.

En contraposición a otras tecnologías de corte más tradicionales, el chorro de agua en

frío convence por su economía y flexibilidad. Con el chorro de agua se pueden cortar

con rapidez y precisión materiales tan dispares como el metal, plástico o granito. El

corte por chorro de agua permite un acabado fino en perfiles tanto simples como

complejos.


10

1.4 ACEROS Y SUS PROPIEDADES.

Los aceros son aleaciones de hierro carbono, aptas para ser deformadas en frío

y en caliente. Generalmente el porcentaje de carbono no excede e 1,76%. El acero se

obtiene sometiendo el arrabio a un proceso de descarburación y eliminación de

impurezas llamado afino (oxidación del elemento carbono).

Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en:

• Aceros hipoentectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto S

(entectoide), o sea al 0,89%.

• Aceros hiperentectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S.

Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en

dos grandes grupos:

1. Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono

2. Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos en

cantidades suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos críticos,

tamaño del grano, templabilidad, resistencia a la corrosión)

Con respecto a su composición, puede ser de baja o alta aleación y los

elementos que puede contener el acero pueden ser tanto deseables como indeseables,

en forma de impurezas.


11

1.4.1 Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión

El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la estructura del cristal

metálico, atrae el oxígeno y hace que el acero no se oxide. El molibdeno y el

wolframio también favorecen la resistencia a la oxidación.

Tratamientos

Son los procesos a los que se someten los metales y aleaciones ya sea para

modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por

transformación de sus constituyentes.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o

adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le darán a las

piezas de esta manera se obtiene un aumento de la dureza y la resistencia mecánica,

así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.

Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación

de algún elemento a la superficie de la pieza.

• Tratamientos térmicos: recocido, temple, revenido, normalizado

• Tratamientos termoquímicos: cementación, nitruración, cianurización, etc.


12

Tratamientos mecánicos

Se somete al metal a operaciones de deformación frío o caliente para mejorar

sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas. Al deformar

mecánicamente un metal mediante martillado, laminado, etc., sus granos son

deformados alargándose en el sentido de la deformación. Lo mismo pasa con las

impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.

Tratamientos en frío

Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de

recristalización, pueden ser profundos o superficiales, estos tratamientos traen como

consecuencia:

• Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción.

• Disminución de su plasticidad y tenacidad.

• Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se

dice entonces que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, más

dureza).

• Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de

homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del

metal).


13

• Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su

fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la

deformación.

1.4.2 Aceros aleados y elementados de aleación

Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino

que también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico.

Cromo la adición del elemento cromo origina la formación de diversos

carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil

que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido

de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.

Níquel la adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no

forma carburos u óxidos, esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El

cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y

ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que

aporta el cromo.

Manganeso el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de

desoxidación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el

acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Reduce el intervalo crítico de

temperaturas.


14

Silicio este elemento se agrega como desoxidante a todos los aceros. Cuando

se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con

baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El uso principal del silicio

es, junto con otros elementos de aleación, como manganeso, el cromo y el vanadio,

para estabilizar los carburos.

Molibdeno el molibdeno forma carburos y también se disuelve en ferrita

hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno

abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este abatimiento, el

molibdeno es uno de los elementos más eficaces para impartir propiedades deseables

de templabilidad en aceite o en aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el mayor

efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad.

Vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano,

también acrecienta la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de

suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas.

Tungsteno (wolframio) este elemento se emplea mucho en aceros para

herramientas, por que la herramienta mantendrá su dureza aún cuando estuviera

candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y

dureza.


15

1.4.3 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión

Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos 12% de cromo se

denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales

es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son

los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos y los aceros

inoxidables martensíticos y templables por precipitación.

Los aceros al cromo ferríticos tienen su resistencia a la corrosión depende del

contenido de dicho elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena

templabilidad, tanto que en los de bajo carbono desaparece.

Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe

prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es

costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con

las condiciones corrosivas.

Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por

lo que son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede

mejorar notablemente por el trabajo en frío. Los aceros inoxidables austeníticos son

los más resistentes a la corrosión atmosférica. Son austeníticos a cualquier

temperatura y los que tienen mayor resistencia mecánica a elevada temperatura.


16

Datos característicos de los aceros inoxidables austeníticos

1) AISI 304 º Rosanox 304 º Iram 30304.

• Composición química: C = 0,06 %, Cr = 18,5 %, Ni = 10 %.

• Características generales: muy buena resistencia a la corrosión en atmósfera

industrial y marina. Se suelda fácilmente.

• Aplicaciones: piezas para la industria química, alimenticia y del petróleo.

Herramientas de cirugía. Alambres y artículos de alambre. Utensilios para la cocina.

Artículos de decoración (automóviles).

• Tratamiento térmico: forja = 1100°C - 950°C, recocido (hipertemple) = 1100°C al

agua, recocido más trefilado.

• Características mecánicas: σR (Kt, resistencia a la rotura por tracción) = 82690 psi,

σfl (tensión de fluencia) = 35556 psi, A (alargamiento porcentual) = 67 %, ψ

(estricción) = 77 %, dureza = 142 HB (Brinell).


• Composición química: C = 0,10 %, Cr = 25 %, Ni = 21 %.

• Características generales: acero resistente hasta 1150°C en atmósfera oxidante

(refractario). Se suelda fácilmente.

• Aplicaciones: piezas expuestas a medios extremadamente agresivos. Piezas para

temperaturas elevadas (partes de hornos, canastas para temple y/o cementación).


agua


17





• Composición química: C = 0,05 %, Cr = 16,5 %, Ni = 11,5 %, Mo = 2,2 %.

• Características generales: acero inoxidable austenítico al molibdeno. Excelente

resistencia a la corrosión frente a cualquier medio y hasta 300°C.

• Aplicaciones: piezas para cualquier industria. Inclusive la química, petroquímica y

alimenticia, construcciones marítimas.


agua, recocido más trefilado.





18

2. MARCO METODOLÓGICO:

En este capítulo se dan a conocer todos los cálculos y criterios para el diseño y

selección de cada uno de los elementos que conforman la máquina. Estos elementos

fueron seleccionados bajo todos los parámetros asumidos en el SECCION 1 y

considerando todas las características que necesita el equipo para cumplir con los

objetivos del proyecto.

2.1 FUERZA Y ENERGÍA REQUERIDA PARA EL CORTE.

Para poder realizar el corte de un material (acero inoxidable austenítico)

necesitamos efectuar un cierto trabajo o energía sobre el mismo. Como el chorro de

agua tiene (a la salida de la tobera) una sección transversal circular, la sección de

corte (de la chapa) estará representada por un cilindro, efecto similar a un punzonado

(Figura n° 2.1).

Figura n° 2.1: Punzonado Fuente: Elaboración propia.


19

Dicha sección de corte deberá ser la menor posible, para producir una mínima

remoción de material (baja pérdida de material). Adoptamos Øchorro de agua = 0.03149

in.

Por lo tanto:

Energía de deformación = F x e = Trabajo.

Donde:

· F = fuerza necesaria para realizar el punzonado.

· e = espesor de chapa a punzonar.

Ahora, τc (resistencia al corte) ≈ 0,8 x Kt .

Donde:

Kt = resistencia a la rotura por tracción (σR).

Colocándonos en las peores condiciones, adoptamos el valor de Kt del AISI 310°

Kt = 90670 psi => τc = 0,8 x 90670 psi = 72536 psi

cilindroc A

F≤τ (Figura n° 2.1)

Donde:

ACilindro = área del cilindro de corte = Π x Øchorro de agua x e = Π x 0,03149 in x 0,5 in =

ACilindro = 0,0495 in2.

Por lo tanto:

· cilindroc AF ⋅= τ = 72536 psi x 0,0495 in2 = 3590,5 lbf [2]

· eFE ndeformació ⋅= = 3590,5 lbf x 0,5 in = 1795,2 lbf x in.


20

2.2 ENERGÍA DEL CHORRO DE AGUA.

2.2.1 Cálculo de la presión de la bomba para flujo de agua pura.

En el momento que el chorro de agua impacta sobre el material a cortar,

comienza el proceso de transformación de la energía: la energía cinética del chorro de

fluido se transforma en energía de deformación del material.

F = Fuerza ejercida por el chorro de agua (ecuación del impulso) = DVQ ⋅⋅ ρ

Donde:

• Q = caudal = VA ⋅

• A = sección transversal del chorro de agua

• V = velocidad del chorro de agua

• DV = diferencia entre la velocidad inicial y final (= 0) del chorro de agua

Ahora:

ρ = densidad del agua = gγ

Donde:

• γ = peso específico del agua

• g = aceleración de la gravedad

ρ = 0,0361 lb/in3

4

2.. aguadechorroA

φ⋅Π= =

4035,0 2⋅Π = 7,8. 10-4 in2

DVVAF ⋅⋅⋅= ρ = Fnecesaria ([2]) = 3590,5 lbf

Ahora, 0−= VDV = V


21

ρ⋅⋅= 2VAF => Donde F = Fnecesaria

[1] V = (Fnecesaria / ( A x ρ ) )1/2 = (3590,5 lbf / (7,8. 10-4 in2 x 0,0361 lb/in3 ) )1/2

[2] V = 221.280 in/s = 20200 km/h ≈ 16 mach (1 mach = velocidad del sonido ≈

1232,8 km/h).

Según el teorema de Bernoulli (principio de conservación de la energía), para

un flujo de fluido homogéneo (ρ = cte) e incompresible tenemos:

P / g + V2 / (2g) + h = cte (en la dirección del flujo).

Donde:

P / g = energía de presión, V2 / (2g) = energía cinética, h = energía potencial

En la tobera (nozzle) se transforma toda la energía de presión, en energía de cinética.

Figura n° 2.2: Tobera Fuente: Elaboración Propia

P1 / γagua + V12 / (2g) + h1 = P2 / γagua + V2

2 / (2g) + h2

P1 = (V22

/ (2g) ) x γagua = V22 / 2 x ρagua


22

P1 = presión que debe entregar la bomba (manométrica) = (221280 in/s)2 / (2 x

0,0361 lb/in3) = 67,82 .1010 lb/in.s2 = 1756,5 Mpsi.

Este valor tan elevado de presión nos indica que la energía disponible en el

chorro de agua es insuficiente. Una razón es por su baja densidad. Por lo tanto si le

agregamos a la vena de fluido (después de la bomba de alta presión y antes de la

tobera, punto 1 Figura n° 2.2) partículas de un material con mayor densidad que el

agua, lograremos aumentar considerablemente su energía. Con lo cual obtendremos

un valor más razonable de presión necesaria de la bomba.

2.2.2 Cálculo de la presión de la bomba para un flujo mezcla de agua y otro elemento elevador de la densidad

Utilizaremos a modo de ejemplo, como elemento elevador de la densidad al acero

(ρ = 0,284 lb/in3).

Supongamos que agrego a la vena líquida un 30 % de partículas de este material =>

ρmezcla = 0,3 x ρacero + 0,7 x ρagua = 0,11047 lb/in3 (considerando un fluido homogéneo)

V = ( Fnecesaria / ( A x ρmezcla ) )1/2 =( 3590,5 lbf / (7,8 10-4 in2 x 0,11047 lb/in3) )1/2

([1])

V = 126.495 in/s = 11567 km/h ≈ 9,4 mach

Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2 (Figura n° 2.2):

P1 / γagua + V12 / (2g) + h1 = P2 / γmezcla + V2

2 / (2g) + h2

P1 = (V22 / (2g) ) x γagua = V2

2 / 2ρagua


23

P1 = presión que debe entregar la bomba (manométrica) = (126.495 in/s)2 / (2 x

0,11047 lb/in3) = 72,42.109 lb/in.s2 = 187,6 Mpsi

Como podemos observar, el resultado de la presión necesaria de la bomba

para realizar el corte de la lámina de acero inoxidable austenítico, aunque ha

disminuido de manera considerable, sigue siendo muy elevado.

Esto nos esta indicando que la función del elemento por agregar a la vena

líquida, no es simplemente para elevar su densidad. Este debe tener una importante

dureza para lograr un efecto erosivo (microvirutamiento) del material a cortar, por ese

motivo se le denomina material abrasivo.

Ahora surge otro inconveniente: ¿Cómo saber la energía que posee un chorro

de agua abrasivo? Esta debe surgir de la estimación experimental de los procesos de

corte con chorro de agua y abrasivos.

Como en el país no hay datos al respecto, nos vimos obligados a investigar en

el extranjero.

Así entonces, logramos contactar vía Internet al Ing. Ph.D. A.W. Momber, de

la empresa WOMA, Duisburg, Alemania, dedicada al diseño y fabricación de

maquinarias hidráulicas, quien muy amablemente nos envió información al respecto.


24

2.2.3 Estimación experimental de la energía del chorro de agua abrasivo.

Durante el proceso de corte por chorro de agua abrasivo, en la pieza de

trabajo, tenemos el siguiente balance de energía (Figura n° 2.3):

[3] E absorbida por la pieza de trabajo = E ingresada – E saliente

Ahora, el proceso de corte se lleva a cabo en dos fases:

1ra fase) Las partículas abrasivas impactan en la superficie de corte

con ángulos de ataque pequeños => Superficie de corte relativamente lisa.

2da fase) Las partículas producen un desgaste erosivo de la superficie

debido al impacto de las mismas con ángulos grandes de ataque, superficie

con estrías (Figura n° 2.4). Lo cual está muy relacionado con la energía

disponible, por el chorro de agua abrasivo, a una cierta profundidad de corte.

Figura n° 2.3: Balance de energía durante el proceso de corte por chorro de agua y abrasivos.

Fuente: : Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003


25

La energía absorbida por el material durante el corte está compuesta por las

siguientes partes:

1) Energía absorbida durante la generación de partículas de

desperdicio (microvirutaje).

2) Energía absorbida por la fricción sobre el frente de corte.

3) Energía absorbida por la amortiguación de la mezcla agua-abrasivo,

debido a la película de agua-sólido que se forma sobre el frente de

corte.

4) Energía absorbida por la generación de calor.

Figura n° 2.4: Formación de estrías durante el corte Fuente: http://www.waterjets.org/WaterjetControl.html julio 2003

Muchas investigaciones han demostrado que se requiere de una energía

mínima (E crítica) para dar inicio al proceso de corte, por medio de un chorro de agua

abrasivo.

[4] E saliente = E crítica para e (espesor de corte) = e máx (1ra condición de borde).

De lo contrario el chorro no saldría al exterior (no lo traspasaría).


26

Por otro lado, tenemos:

E absorbida = 0 para e = 0 (2da condición de borde).

[5] E absorbida = E ingresante – E crítica ([3] y [4])

Ahora, introduciendo el parámetro ψ que depende de la profundidad de corte

(e) y por lo enunciado anteriormente, tenemos la siguiente expresión:

E necesaria para realizar el corte = E crítica + ψ E absorbida

[6] E necesaria para realizar el corte = E crítica + ψ (E ingresante – E crítica)

Para 0 < e < e máx ([5])

Cuando:

e = 0 => ψ = 0

e = e máx => ψ = 1

La energía del chorro de agua abrasivo (E chorro) = P x Q x t [7]

Donde:

· P = presión que genera la bomba de agua [psi]

· Q = caudal de agua – abrasivo [in3/s]

· t = tiempo de exposición, del diámetro de acción de la pieza (foco), al chorro

cortante [segundos]

[8] Q = V x A

A = Π x dw2 / 4

Donde:

· A = sección transversal del chorro [in2]

· dw = diámetro de la tobera [in]


27

· V = velocidad del chorro de agua abrasivo [in/s]

Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2 (Figura n° 3.1), considerando un fluido

homogéneo:

[9] P1 /γmezcla + V12 / (2 g) + h1 = P2 / γ mezcla + (V2

real / α )2 / (2 g) + h2

Donde:

· P1 = presión que genera la bomba de agua (manométrica) [psi]

· V1 = velocidad del fluido antes de ingresar a la tobera (valor despreciable)

[in/s]

· P2 = presión existente a la salida de la tobera (presión atmosférica = 14,22

psi (absoluta))

· γ mezcla = peso específico de la mezcla agua – abrasivo [lbf/in3] = ρmezcla

(densidad) x g

· h1 ≈ h2 = alturas [in]

· V2 = velocidad del chorro a la salida de la tobera [in/s]

V2real = V2

teórica x α => V2teórica = V2

real / α

α = coeficiente de eficiencia de la tobera (0,6 - 0,7)

[10] V2real = ( P1 / γ mezcla x 2 x g )1/2 x α ([9])

Entonces:

[11] E chorro (t) = P1 ( P1 / γ mezcla 2 g )1/2 α Π dw2 / 4 t ([7]; [6] y [8])

Ahora:

Velocidad transversal de corte o velocidad de desplazamiento lineal (v) = dx / dt


28

dt = dx / v => t = ∫0df 1 / v dx = v . ∫0df dx = v . df [12]

Donde:

· df = diámetro de acción del chorro de agua abrasivo (foco) sobre el material

a cortar.

[13] E chorro = P13/2 α x Π x dw2 x df (2)1/2 / 4 / v ( 1 / ρmezcla )1/2

([11] y [12])

Entonces para calcular la E ingresante, se debe reemplazar el valor de P1 ([13])

por el de la presión de agua que genera la bomba.

Por otro lado para saber el valor de E crítica, se debe reemplazar el valor de P1

([13]) por el de la presión crítica (P crítica).

La presión crítica se la puede obtener de la siguiente:

Pcrítica = P1 - ( dP / de ) x e = f (e)

Donde:

· dP / de = recíproco del progreso de la relación: espesor de corte - presión =

recíproco de la pendiente de la recta tangente (cotangente) a la función (f (e)),

al ser una función lineal => cotangente de la función.

· e = espesor de corte

Utilizando ([6] y [13]) :

Enecesaria para realizar el corte = ( 2 )1/2 x Π / 4 x α x dw2 x df / v ( 1 / ρmezcla )1/2

[ Pcrítica3/2 + ψ (e) x ( P1

3/2 - Pcrítica3/2 ) ]


29

Estimación del parámetro ψ (e)

ψ (e) = 1 - λ (e)

Entonces calculamos el valor de λ(e) que depende de e y es la energía de absorción

relativa = A (e) / A0.

Figura n° 2.5: Comparación entre el corte ideal (sin pérdidas de energía) y el corte real en el maquinado por chorro de agua abrasivo

Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003

En el caso de corte ideal, se genera un área A1 rectangular (Figura n° 2.5/a)

por el movimiento del chorro de agua abrasivo en dirección transversal. En el corte

real tenemos una pérdida de energía, es la representada por el área A0 (Figura n°

2.5/b). La cual calcularemos de la siguiente manera:

A0 = ∫0x e (x) dx

Se ha demostrado que e (x) representa a una curva parabólica (Figura n° 2.6):


30

Figura n° 2.6: Modelo parabólico del proceso de corte por chorro de agua abrasivo (AWJC) Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003

e (x) = - a . ( x - b )2 + c

Donde:

· a, b y c = son constantes obtenidas de ensayos experimentales

A0 = ( b - k ) x c - ∫kb e (x) dx

A0 = a x ( 0,33 x b3 - 0,33 x k3 + b x k2 - b2 x k )

El valor de k puede ser estimado para el caso de e (x) = 0 => k = - ( c / a )1/2 + b

Ahora, el valor del área para un cierto valor de e será:

A (e) = ( x - k ) . e (x) - ∫kx e (x) dx

A (e) = a . ( -0,67 . x3 + b . x2 + k . x2 - 2 . b . k . x - 0,33 . k3 + b . k2 )

Donde x puede calcularse aplicando:

x = (( e - c ) / ( - a ))1/2 + b


31

Valores experimentales de las constantes (para acero inoxidable)

a = 0,2899; b = 9,26; c = 26,1; k = -0,243

Ahora, la gráfica experimental producto de las fórmulas anteriormente

desarrolladas (Figura n° 2.7), nos permite extraer el valor de presión necesaria de la

bomba, ingresando en ordenadas el valor del espesor de chapa de acero inoxidable a

cortar (e =1/2 in).

Figura n° 2.7: Relación entre la presión generada por la bomba y el espesor de corte de la chapa de acero inoxidable

Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003


32

Por lo tanto, para un valor de ½ in de espesor => P = 100 MPa = 15.500psi.

Como podemos observar, ahora sí hemos obtenido con este método de corte,

un valor "Aceptable" de presión de agua.

Condiciones operacionales del experimento

Debemos tener presente que los valores obtenidos corresponden para las

siguientes condiciones de trabajo:

· Abrasivo utilizado = Granate (garnet) o Alúmina (Al2 O3)

· Tamaño del abrasivo = mesh (malla) 80 (0,18mm = 7,09 .10-3 in)

· Caudal de abrasivo = 7,5 . 10-3 lb/s

· Separación de corte (altura) tobera-pieza = 0,28 in

Estos valores serán adoptados para el desarrollo de las etapas siguientes.

Origen del microvirutamiento

Se considera que el proceso de corte por chorro de agua abrasivo, sólo

comienza cuando el chorro alcanza a tener un valor de energía mínima (Ecrítica).

Básicamente se producen dos tipos de grietas en la pieza a trabajar, al exponer

la misma al flujo abrasivo (Figura n° 2.8):


33

Figura n° 2.8: Origen del microvirutamiento Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003

1) Grietas normales a la superficie de la pieza: compuesto por las grietas radiales y

medias.

2) Grietas laterales: se desarrollan paralelas a la superficie de la pieza.

Ahora, se ha demostrado que la interacción producida entre las grietas

laterales y las radiales son las causantes del levantamiento del material, es decir de la

formación de partículas de desperdicio (microvirutamiento).

Aquí podemos ver la modificación obligada en el diseño que debe tener el

proyecto, ahora será una maquina de corte hidro-abrasivo.


34

2.3 ESTUDIO DEL TIPO Y CARACTERÍSTICAS QUE DEBE REUNIR EL ABRASIVO

Los granos de abrasivo son cristales duros que se encuentran en estado natural

o bien se fabrican. Los abrasivos obtenidos por procesos de fabricación han sustituido

a los materiales naturales por tener unas propiedades superiores y controlables, así

como una uniformidad de total confianza.

Los abrasivos se clasifican en dos grandes grupos, según la composición de su

constituyente activo:

1) Óxido de aluminio (AL2 O3) o alúmina (abrasivo refractario): Aquí tenemos dos

abrasivos naturales: el esmeril (con un contenido del 50 - 60 % de alúmina) y el

corindón (cerámico que contiene entre 70 y 90 % de alúmina) pueden tener un color

rojo llamado rubí o azul llamado zafiro. También existen diversos productos

artificiales, superiores a los naturales por la pureza de su composición (95 - 96.9 % de

alúmina = color gris, 96.9 - 99.9 % de alúmina = color rosa) y constancia en sus

características, conocidos bajo los nombres comerciales de Alundum, Aloxite y otros.

2) Carburo de silicio (C Si) o carborundo: Está constituido por productos artificiales

denominados = Carborundum, Crystocon, Korundum y otros.

3) También tenemos otros abrasivos como el granate (garnet), olivine, sílice, nitruro

de silicio, etc.

Tanto la alúmina como el carburo de silicio, son muy duros y frágiles. Esta

fragilidad denominada friabilidad, puede controlarse para diferentes aplicaciones.

Ahora, los abrasivos friables se rompen con facilidad, formándose así bordes

afilados. Esto hace que disminuya la fuerza necesaria para penetrar en el material de


35

la pieza, así como el calor generado durante el proceso de corte. Estos abrasivos (C Si

y Al2 O3) generan una muy buena terminación superficial.

El tamaño de los granos abrasivos viene indicado por un número, que

aproximadamente expresa el número de hilos por pulgada lineal, del tamiz que se

utiliza para tamizar. Por ejemplo: abrasivo de grano (mesh) 100 pasa a través del

tamiz n° 100 que tiene 1012 = 10201 agujeros por pulgada cuadrada, pero es retenido

por el n° 120 .

El diámetro de los agujeros, en dos tamices sucesivos varía con la razón

geométrica: (2)1/4 = 1,189. Los polvos con numeración superior a 280 se separan por

decantación. Además posee una tolerancia de tamaño de grano de ± 4 %.

En definitiva, podemos decir que las tres características fundamentales del

abrasivo son:

· Dureza

· Tamaño

· Borde s afilados

Aplicación

Para el mecanizado por chorro de agua abrasivo, la cantidad y carácter de las

partículas raspantes llegan a ser parte importante de la ecuación de productividad

donde el abrasivo realiza el 90 % del corte.

El granate (garnet) es el abrasivo más usualmente aplicado con los tamaños de

malla (mesh) que van del 36 al 150 (36, 46, 54, 60, 70, 80, 90, 100, 120 y 150),


36

aunque más comúnmente en la gama 60 (Øpartícula ≈ 0,01in) a 100 (Øpartícula ≈ 0,005

in).

Otros tipos de abrasivos empleados son: sílice, óxido de aluminio (Alúmina),

carburo de silicio y nitruro de silicio.

Cuanto más duro sea el abrasivo, más rápido será el desgaste de la tobera.

Aumentando el caudal de agua y/o el caudal del abrasivo y el tamaño de grano del

mismo se producirá una mayor velocidad de corte. Pero, los granos raspantes menores

y las velocidades cortadoras más lentas mejorarán la calidad superficial del corte.

El tamaño más adecuado para cortar metal es de 60 a 80 (mesh).

Combinaciones distintas de tipo de abrasivo y metal de corte originan distintos modos

de remoción de material. Por ejemplo: el granate (garnet) y la alúmina (Al2 O3)

presentan igual poder cortante actuando sobre material dúctiles. Sin embargo, la

alúmina es mucho más efectiva que el granate en materiales quebradizos (fundición).

Características

Durezas:

· Granate (Almandina: Fe3 Al2 (Si 04)) = 1336 HV (7,5 [Mohs])

· Óxido de aluminio (alúmina: Al2 O3) = 1703 HV (9,0 [Mohs])

· Carburo de silicio (C Si) = 2988 HV

· Olivine ((Mg, Fe)2 Si O4) = (6,5 [Mohs])


37

El abrasivo granate (garnet) es un mineral, silicato doble de un protóxido de

Al, titanio, hierro o cromo y de un sesquióxido de calcio, manganeso, hierro o

magnesio. Es de color rojo oscuro. Es muy frecuente en rocas metamórficas, producto

del metamorfismo de contacto de rocas calcáreas y dolomíticas.

En nuestra aplicación utilizaremos, de la familia de los granates (garnet), la

almandina.

Densidades:

· Granate (garnet) = 0,148 lb/in3

· Óxido de aluminio (alúmina: Al2 O3) = 0,137 lb/in3

· Olivine = 0,119 lb/in3

Selección

El abrasivo adoptado para este proyecto es el garnet, por las siguientes

razones:

Comparación con la Alúmina (Al2 O3), ésta es:

• De fácil adquisición en el mercado local.

• Posee mejores características cortantes.

• Se pueden generar mayores velocidades de corte (v).

• Produce un mayor desgaste de los componentes que estén a su paso

(menor vida útil de los mismos).

Con respecto al carburo de silicio, éste es:

• De elevado costo.


38

El costo del abrasivo es el punto de mayor importancia en la selección del tipo

de abrasivo. Recordar: Caudal de abrasivo = 7,5. 10-3 lb/s = 0,45 lb/minuto = 27

lb/hora.

Parámetros fijados

Debemos recordar que durante el cálculo experimental del valor energético del

chorro de agua abrasivo, se fijaron los siguientes parámetros relacionados con el

abrasivo:

· Malla (mesh) = n° 80 => Øpartícula = 7,09 .10-3 in

· Q (caudal) = 7,5. 10-3 lb/s = 0,45 lb/minuto = 27 lb/hora.


39

2.4 SISTEMA DE MEZCLADO DEL AGUA CON EL ABRASIVO

Como vimos en la etapa anterior, necesitamos de un caudal constante de

abrasivo (garnet) que se integre a la vena de fluido (chorro de agua) para poder

obtener los resultados deseados en el corte de la chapa de acero inoxidable

austenítico.

Ahora:

ρabrasivo = 0,148 lb/in3 = m / v

γabrasivo = 56,832 lbf/in3

Qabrasivo = 7,5. 10-3 lb/s

Øpartículas de abrasivo (malla (mesh) 80) = 7,09 .10-3 in

Volumen cada partícula =Π/ 6 x (7,09 .10-3 in)3 = 1,865 10-7 in3

Masa cada partícula = ρ abrasivo x Volumen cada partícula = 2,76 10-8 lb

[1] Caudal de partículas que circulan ≈

Qabrasivo / Masa cada partícula = 271695 partículas de garnet / segundo

A continuación se irán desarrollando alternativas sobre sistemas de mezclado

del agua y del abrasivo, hasta dar con la más adecuada.


40

2.4.1 ESTUDIOS DE LAS DIFERENTES ALTERNATIVAS

Alternativa 1: Mezclado por gravedad

Figura n° 2.9: Mezclado por gravedad Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta

Fé Argentina, junio del 2003

Como se puede observar en la Figura n° 2.9, el sistema consta de las

siguientes partes:

1) Tolva con abrasivo

2) Conducto de transporte del abrasivo

3) Válvula reguladora del caudal

4) Conducto de mezcla (agua y abrasivo)

El ingreso del abrasivo al flujo de agua se produce por la caída del mismo,

desde la tolva que lo contiene, al conducto de mezcla. Esto se debe al peso del

volumen de abrasivo contenido en la tolva que hace las veces de fuerza de empuje.


41

La válvula intermedia sería la encargada de regular el caudal deseado de

abrasivo. Este sistema es de construcción muy sencilla y económica, pero no es

posible obtener un caudal constante con precisión. Debido a la elevada presión

existente en el conducto (4) de mezcla (15.500 psi), al abrir la válvula (3), el depósito

de abrasivo estará sometido a dicha presión (fuerza ascendente).

P = F / A => F = P x A

A = π x Ø22 / 4 = 0,031 in2

Donde:

· P = presión que genera la bomba de agua [psi]

· F = fuerza ascendente [lb]

· A = sección transversal del conducto (2) [in2]

· Ø2 = diámetro del conducto (2), adopto = 0,2 in

F = 486 lb => El contenido de abrasivo en la tolva debe ser superior a los 486

lb para que éste comience a descender por gravedad. Además, el agua se mezclará

con el abrasivo dentro del conducto de transporte del abrasivo (2) y no en el conducto

de mezcla (4), debido a la presión que el fluido tiene. Lo cual traerá como

consecuencia una dosificación muy difícil de medir y de controlar. Por lo tanto, este

sistema queda descartado por resultar sumamente imprecisa la dosificación.


42

Alternativa n° 2: Mezclado por gravedad a igual presión

Ésta es una alternativa mejorada de la anterior, la tolva se encuentra cerrada y

a la misma presión (presurizada) que el conducto de mezcla (Figura n° 2.10) por

medio de un conducto (5) que los intercomunica.

Figura n° 2.10: Mezclado por gravedad a igual presión Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta


En este sistema no se necesitará contar con un volumen mínimo de abrasivo

en la tolva para que éste comience a caer (por gravedad). Además, la dosificación no

se verá afectada por el nivel de abrasivo existente en la tolva. En la alternativa n° 1 al

bajar el nivel en la tolva, el caudal de abrasivo disminuye a medida que desciende la

fuerza de empuje, por lo tanto de debe corregir con la apertura de la válvula (3). Pero

lamentablemente seguimos teniendo serios problemas para lograr un control preciso

del caudal de abrasivo que se dosifica en la vena de fluido. Por lo tanto esta

alternativa queda también descartada.


43

Alternativa n° 3: Mezclado por efecto Venturi

El efecto Venturi consiste en producir un estrechamiento en el conducto con lo

cual se logra un aumento en la velocidad:

(Figura n° 2.11) A2 << A1 (Q = A x V) => V1 << V2

Lo que hace que la presión disminuya considerablemente: P1 >> P2 (teorema

de Bernoulli) hasta valores aun menores que la presión atmosférica (vacío).

Figura n° 2.11: Mezclado por efecto Venturi Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta


Por lo tanto se producirá la succión del abrasivo en el punto B. Aquí el método

de mezcla es muy eficiente y de bajo costo constructivo, pero persisten dos problemas

que venimos acarreando de las alternativas antes vistas:


44

1) El control de la dosificación de la válvula (3) sigue siendo impreciso (recordemos

que estamos hablando de un caudal de tan solo 7,5. 10-3 lb/s).

2) La mezcla agua - abrasivo resulta ser sumamente erosionante para las paredes del

conducto de mezcla, más aun en la zona de succión (B) como consecuencia del

aumento de velocidad. Esto traerá como consecuencia la reducción de la vida útil del

conducto de mezcla (con el dispositivo de Venturi en su interior) y su permanente

reposición. Nuevamente nos resulta imprecisa la dosificación y un elevado costo en

trabajo, descartamos esta alternativa.


45

Alternativa n° 4: Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura"

Figura n° 2.12: Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura" Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta


Consta de las siguientes partes:


2) Tornillo dosificador

3) Motor eléctrico (accionamiento del tornillo)

4) Cámara de mezcla y aspiración (de vacío)

5) Conducto de aspiración

6) Tobera de agua "pura"

7) Tubo mezclador


46

El abrasivo contenido en la tolva (1), cae por gravedad al compartimiento en

donde se encuentra el tornillo de dosificación (2). Este se encuentra accionado por un

motor de Corriente Alterna (AC), provisto de un variador de velocidad para poder

regular el caudal de abrasivo aportado.

En esta alternativa se procuró resolver los problemas surgidos en las

anteriores, por ejemplo:

a) La dosificación se podría controlar mejor por medio de un tornillo de transporte y

un motor con variador de velocidad incorporado. Se mantiene el sistema de llenado

de la cámara (2) por medio de gravedad.

b) El desgaste prematuro de la cámara de mezcla y aspiración y, posteriormente de la

tobera; se resolvió tratando de minimizar el contacto entre el chorro de agua abrasivo

y las paredes de la cámara y de la tobera (desde ahora se deberá llamar tubo

mezclador). Para ello se coloca una tobera de agua "pura" (se la denomina así para

diferenciarla de la tobera para chorro de agua abrasivo, ya que no circula por su

interior abrasivo alguno), antes del conducto de aspiración (Efecto Venturi,

mantenemos el método empleado en la alternativa anterior, es decir el abrasivo es

succionado por la depresión creada). Con lo cual tenemos un fino chorro de agua (a

alta velocidad, ya que la tobera transformó la energía de presión en energía de


47

velocidad), atravesando la cámara de mezcla y aspiración sin contacto alguno con la

misma.

Para el material de construcción de la tobera de agua se suele utilizar el Zafiro

(corindón (cerámico) que contiene entre 70 y 90 % de alúmina, que presenta un color

azul) con una vida útil de aproximadamente de 200 hs (agua correctamente filtrada) o

de 34 hs (agua sin filtrar), pero la de diamante presenta una mayor vida útil (hasta 10

veces más).

El tubo mezclador va recibir un estudio profundo en la próxima etapa, aquí el

desgaste es más pronunciado que en la tobera de agua "pura" y que en la cámara de

vacío, debido a la dispersión que comienza a experimentar con la distancia recorrida

el chorro de agua abrasivo. El material de construcción puede ser carburo de

tungsteno (vida útil de aproximadamente 10 hs), pero los material compuestos

(carburos + fibras) extienden la vida útil (hasta las 90 hs aproximadamente), por su

elevada resistencia a la abrasión.

Por lo tanto, aquí hemos dado con un conjunto ideal para la problemática del

desgaste, a éste conjunto lo denominaremos: Cabezal abrasivo. El mismo está

compuesto por módulos desmontables, para permitir su posterior reemplazo debido a

su desgaste. Sus componentes son (siguiendo la dirección del flujo):


48

a) Tobera de agua "pura" (6)

b) Cámara de vacío (efecto Venturi) (4)

c) Tubo mezclador (7)

El diámetro de la tobera de agua está por lo general dentro del siguiente rango

de medida: (0,01 - 0,022) in. Por otro lado este diámetro debe ser compatible con el

diámetro de salida del tubo mezclador.

Por ejemplo:

1) Una tobera de agua de diámetro grande con un tubo mezclador de diámetro (de

salida) pequeño, producirá acumulación de agua en la cámara de mezclado y mojado

de la vía de entrega del abrasivo provocara disminución del suministro de abrasivo.

2) Caso inverso. Una tobera de agua de diámetro pequeño con un tubo mezclador de

diámetro (de salida) grande, no permitirá lograr un correcto enfocado del chorro de

agua abrasivo sobre el material de trabajo.

Normalmente la relación entre las medidas del diámetro de la tobera de agua y

el diámetro (de salida) del tubo mezclador, está comprendida entre: 0,3 - 0,4. En

nuestro caso adoptamos:

· Diámetro tobera de agua = 0,01 in

· Diámetro (de salida) tubo mezclador = 0,0315 in (adoptado anteriormente: [1])


49

Por lo tanto la relación: 0,01 / 0,0315 = 0,317 => está dentro del rango usual

(0,3 - 0,4).

A pesar de haberse resuelto un problema importante como es el desgaste

prematuro, sigue existiendo el problema de la falta de precisión en el caudal de

abrasivo aportado a la vena de agua. Además se presenta el inconveniente de que el

tornillo no puede trabajar completamente lleno, por lo que se produciría el

atoramiento del tornillo. Por lo tanto el nivel máximo, del material por desplazar en

su interior, no deberá superar su eje de giro.

Este tornillo es un simple elemento transportador de material, estando muy

lejos de lograr un caudal constante. Alternativa descartada.

En las sucesivas alternativas se enfocan en encontrar la mejora del

dispositivo dosificador para resolver el problema presentado.


50

Alternativa n° 5: Regulación manual del caudal

Figura n° 2.13: Regulación manual del caudal Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta

Fé Argentina, junio del 2003 Este sistema consta de las siguientes partes:


2) Placa fondo de la tolva

3) Placa componente del sistema regulador de caudal

4) Placa deslizante componente del sistema regulador del caudal

5) Tornillo regulador del caudal

6) Precámara


51

7) Conducto de aspiración (tubo flexible Ø = 0,3 in)

9) Cabezal abrasivo: Tobera de agua, cámara de vacío (efecto Venturi) y tubo

mezclador.

El abrasivo se encuentra en la tolva a presión atmosférica, al abrirse la válvula

reguladora de caudal, por medio del tornillo (5), se produce una diferencia de presión

entre la tolva y la cámara de vacío que hace circular el abrasivo hacia dicha cámara.

Al abrir más la válvula manual (5), mayor será el paso de abrasivo (aumenta el caudal

de abrasivo). Ahora, para obtener el caudal de abrasivo deseado se deberá realizar un

estudio experimental del sistema y fijar la apertura de la válvula en la posición

correcta. Para ello se coloca a la salida del tubo mezclador (conectado en forma

hermética) un recipiente que será el encargado de contener el abrasivo extraído. A

dicho recipiente se le conecta, también en forma hermética y con un tamiz intermedio

para que no permita el paso de las partículas de abrasivo (malla mayor de 80), un

generador de vacío (tubo Venturi) graduado a la depresión que generaría el chorro de

agua a la salida de la tobera.

Así, luego de transcurrido un cierto tiempo en operación, se realizará la medición del

peso de abrasivo extraído. Los ensayos se seguirán realizando hasta dar con la medida

de caudal deseado (7,5.10-3 lb/s).

Aquí se llega a obtener un caudal preciso de abrasivo, luego de efectuado el

ensayo. Pero este sistema no es preciso (se debe desarrollar un sistema con la mayor

certeza de su correcto desempeño, luego sí podrá sufrir ciertas correcciones propias

de la experiencia). Alternativa descartada.


52

Alternativa n° 6: Regulación por medio de un caudalímetro

Como se puede ver en la Figura n° 2.14 se le ha agregado en el conducto de

aspiración un caudalímetro (medidor de caudal, referencia n° 8), con lo cual

tendremos una medición permanente del caudal de abrasivo que circula por su

interior.

Figura n° 2.14: Regulación por medio de un caudalímetro Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta


Ahora, por lo investigado: no existe un caudalímetro capaz de medir con

exactitud un flujo de partículas del tamaño que nos acontece (Ø = 7,09.10-3 in).

Alternativa descartada.


53

Alternativa n° 7: Dosificación por medio de placa orificio

La Figura n° 2.15 representa esta nueva alternativa. Sus componentes principales son:

Figura n° 2.15: Dosificación por medio de placa orificio Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta



2) Placa orificio (d = diámetro del orificio de pasaje del abrasivo)

3) Cámara de vacío, efecto Venturi (componente central del cabezal abrasivo)

4) Cámara intermedia

5) Conducto de aspiración


54

Aquí debemos determinar, mediante cálculos, el diámetro (d) que debe tener

la placa orificio (2) para lograr mediante un valor de depresión DP (efecto Venturi en

la cámara de aspiración o vacío (3)), un caudal constante de abrasivo. Para lo cual

suponemos un fluido homogéneo.

DPtotal = DPA-B + DPB-2

a) DPA-B depresión necesaria para extraer un caudal constante de abrasivo de la tolva,

a través de una placa orificio de diámetro d. Lo calculamos como un depósito que se

está vaciando.

[2] VB = Cv x (( DPA-B / γabrasivo + h ) x 2 g )1/2

Suponemos un contenido de 52 lb de abrasivo en la tolva (1), correspondiente

a 2 horas de trabajo aproximadamente (7,5.10-3 x 60 s/min x 60 min/hora x 2 = 27

lb/h ).

Volumen de la tolva = Π x h / 12 x (D12 + D1 x D2 + D2

2)

Para D1 = 11 in y D2 = 2,4 in => h = 10 in

Cv = coeficiente de velocidad ≈ 0,6

Luego, Q = VB x A;

A = Π x d2 / 4

[3] VB = Q / (Π x d2 / 4)

Considerando una dispersión de partículas de abrasivo en aire (≈ 20 % de

abrasivo + 80 % de aire) tenemos:

Qtotal (para obtener 7,5.10-3 lb/s o 27 lb/h)

[4] Qreal = Qtotal x Cc


55

Donde:

Cc = coeficiente de contracción (placa orificio) ≈ 0,4

Cv x Cc = Cd = coeficiente de descarga

DPA-B = { [ (Qreal x 4 / (Cv x Π x d2))2 / (2 g)] – h} x γabrasivo ([2], [3] y [4])

Para un d ≈ 0,16 in => DPA-B ≈ -568 psi.

De [2] VB = 1,2477 in/s

b) DPB-2 = necesario para el transporte neumático de las partículas.

Øconducto de aspiración ≈ 0,2 in

F = m x a = fuerza a la cual está sometida cada partícula de abrasivo

m = 2,76 10-8 lb / 271695 partículas = 1,02 . 10-13 lb/part

a = V / t = X / t2 => t = X / VB,

X = longitud necesaria del cilindro mezcla (aire + abrasivo) para una dispersión de 20

% de abrasivo + 80 % de aire ≈ 0,08 in. Por lo tanto:

t = 0,064 s

F = 1,98 . 10 –12 lbf

Ftotal = F x 271695 partículas = 5,38 . 10-7 lbf

Presión = Ftotal / ( Π x Ø2Conducto de aspiración / 4)

DPB-2 = 1,71 .10-5 psi

DPtotal (necesaria para obtener un caudal de 7,5. 10-3 lb/s de abrasivo) ≈ 568 psi

Y como el flujo no es homogéneo, se adopta un diámetro de placa orificio un

poco mayor => d = 0,2 in. Con lo cual ésta resulta ser la alternativa más conveniente

al garantizar precisión en el caudal de entrega a un bajo costo.


56

Valores característicos de la mezcla agua - abrasivo

Ahora, analizando la Figura n° 2.15 (cabezal abrasivo), podemos realizar los

siguientes cálculos.

Aplico Bernoulli entre el punto 1 y el 2:

P1 / γagua + V12/ 2g = P2 / γagua + (V2real / α )2 / (2g)

Recordar que α = coeficiente de eficiencia de la tobera = 0,6 - 0,7. Adoptamos = 0,65.

V2real = {[ ( P1 - ( - P2 ) / γagua ]x 2g }1/2 x α =>

V2real = {[ ( 15500 psi + 568 psi ) / 13,94 lbf/in3 ] 2 x 384 in/s2 }1/2 x 0,65

V2real ≈ 12000 in/s = 304 m/s = 1097 km/h

Q = V2 x A = 12000 in/s x Π x ( Øtobera )2 / 4

Donde:

Qagua = caudal de agua que deberá entregar la bomba de alta presión.

A = sección del chorro de agua

Øtobera = 0,01 in

Qagua = 0,94 in3/s = 0,92 litros/minuto = 3,39 10-2 lb/s

Cabe señalar que por los experimentos realizados por los laboratorios de los

fabricantes de boquillas de corte y tubos mezcladores, se pudo establecer que la

velocidad adquirida por el abrasivo generalmente (en el tubo mezclador) es un 70 %

de la velocidad del chorro de agua "pura".

Vpartículas de abrasivo = 0,7 x V2 = 8400 in/s ≈ 770 km/h

También tenemos: V3 = φ x V2 / ( 1 + Qabrasivo / Qagua )


57

Donde: · V3 = velocidad del chorro de agua abrasivo a la salida del tubo mezclador

· Qabrasivo = 7,5. 10-3 lb/s

· Qagua = ρagua x Q = 0,0361 lb/in3 x 0,94 in3/s = 0,034 lb/s

· φ = coeficiente de transferencia de energía = 0,6 - 0,7 (adoptó = 0,65)

V3 = 0,65 x 12000 in/s / ( 1 + (7,5. 10-3 lb/s / 3,4 10-2 lb/s)) = 6387 in/s = 584 km/h Además:

Qtotal = Qabrasivo + Qagua = 0,0415 lb/s

Donde el agua ocupa el 82 % y el abrasivo el 18 % restante.

A pesar de contar con esa diferencia de masa a favor del agua, el 90 % del

poder cortante se debe a la acción erosiva (microvirutaje) del abrasivo. Es

aproximadamente inversamente proporcional al contenido de masa.

El proyecto se comenzó con la idea de realizar el corte, de láminas de acero

inoxidable austenítico de hasta ½” de espesor, por medio de la energía cinética de un

chorro de agua. Pero la energía contenida era muy escasa debido a su baja densidad.

Entonces se aumentó su densidad agregando otras partículas al fluido, pero la energía

seguía siendo escasa. Luego se propuso introducir a la vena líquida partículas de

elevada dureza que erosionaran al material produciendo el llamado microvirutaje del

mismo. Con lo cual el agua, que en el principio iba a ser el elemento encargado de

efectuar el corte, pasó ahora a cumplir una tarea secundaria en este proceso de

maquinado.


58

2.5 TUBO MEZCLADOR

Este elemento, cuyo proceso principal que se lleva a cabo en su interior es el

de acelerar las partículas de abrasivo (recordar lo visto en la etapa anterior: las

partículas de abrasivo alcanzan a desarrollar un 70 % de la velocidad del chorro de

agua "pura") y enfocar la mezcla abrasiva en su salida hacia la lámina a cortar.

Ya que en esta pieza, como su nombre lo indica, es donde se produce la

mezcla del agua con el abrasivo, este tubo está sometido a un importante proceso

erosivo por parte de las partículas de abrasivo que chocan contra las paredes

interiores del mismo. Por tal motivo el diseño del perfil interior y el material escogido

deben ser los ideales para prolongar lo máximo posible su vida útil. El material

mayormente utilizado por los fabricantes de tubos mezcladores debido a las

condiciones de trabajo, es el carburo de tungsteno.

2.5.1 Carburo de tungsteno (WC)

A este material se lo denomina carburo cementado, es un material formado

con partículas de carburo muy finamente divididas, cementadas de manera conjunta

por un metal o aleación del grupo hierro, formando así un cuerpo de muy alta dureza.

Los carburos cementados se manufacturan mediante las técnicas de la

Metalurgia de Polvos. El proceso consiste, esencialmente, en preparar los polvos de

tungsteno y aglutinarlo con polvo de cobalto, presionando el polvo mezclado y


59

compactándolo hasta obtener la forma deseada; o sinterizando las formas presionadas

para lograr la consolidación.

Los polvos mezclados se forman de las maneras deseadas mediante presión en

frío, seguida de una sinterización; o por medio de presión en calor, durante la cual la

presión y la sinterización se hacen al mismo tiempo. Las presiones utilizadas durante

la presión en frío varían entre 5 y 30 ton/in2, dependiendo del tamaño y la forma del

material compacto. El sinterizado se efectúa a temperaturas entre 1371 °C y los 1482

°C durante 30 a 60 minutos. A estas temperaturas, el cobalto forma un eutéctico con

los carburos, el cual se convierte en el material aglutinante. Después del enfriamiento,

el material compacto sinterizado tiene sus propiedades finales, ya que no responde a

ningún tratamiento térmico conocido. Los carburos están presentes como granos

individuales y también como una red finamente dispersa resultante de la precipitación

durante el enfriamiento del carburo disuelto en el cobalto durante el sinterizado.

La micro estructura afecta la dureza y la resistencia. El tamaño de las

partículas de carburo (granos), su distribución y porosidad, y la calidad del enlace

entre los cristales de cobalto y carburos son factores importantes. Al aumentar el

tamaño de grano del carburo de tungsteno disminuye la dureza, porque los más

suaves "lagos" de cobalto, esparcidos entre los granos, también son más grandes, lo

cual se ve en la Figura n° 2.16 para una aleación con 94 % de WC y 6 % de cobalto.

La dureza disminuyó de Rockwell A 93 a 92 y a 91, conforme el tamaño de grano de

WC pasó de fino a intermedio y a grueso.


60

Figura n° 2.16: Carburo cementado, 94 % WC, 6 % Co. El tamaño del grano de WC es fino en a), intermedio en b) y grueso en c). La dureza disminuyó desde Rockwell A 93 en a) hasta

92 en b) y 91 en c). Atacado químicamente en reactivo de Murakami, 1500x. Fuente: Introducción a la metalurgia física, Segunda Edición, Autor: S. Avner, Editorial Mc Graw Hill.

Se consumen más carburos cementados para cortar metales que para cualquier

otro tipo de aplicación. Debido a su capacidad para mantener un borde de corte

afilado, los tipos de carburo de tungsteno puro son virtualmente los únicos materiales

para herramientas utilizados con el fin de cortar diversos materiales abrasivos, como

fibra de vidrio y resinas de fenol. Los carburos que tienen la más alta dureza también

se emplean para maquinar hierro fundido blanco a Rockwell C 60. Los carburos

cementados se utilizan para taladros, escariadores, herramientas para maquinar

diámetros interiores y careado, y sierras para el maquinado de metales y de no

metales. Las velocidades de corte y tubos de alimentación empleados con las

herramientas de carburo suelen ser más altas que las utilizadas con acero de alta

velocidad o estelita.

La dureza y la resistencia al desgaste de los carburos cementados los hacen

bien adecuados para perforar la tierra y para aplicaciones en la minería. En varios


61

tipos de barrenas especializadas para taladrar en formaciones rocosas

extremadamente duras y abrasivas se utilizan piezas insertadas de carburo, en vez de

los convencionales dientes de acero de superficie dura. También tienen aplicaciones

en el revestido de los martillos de forjado y de las trituradoras de mandíbula, en las

acerías, en boquillas de chorro de agua abrasivo o de arenado, en calibradores de

forma de anillos y de macho y en bloques de calibración. Los troqueles de carburo

cementado se utilizan para el estirado en caliente de tungsteno y molibdeno y para el

estirado en frío de alambres, barras y tubos hechos de acero, cobre, aluminio y otros

materiales.

2.5.2 Otras Alternativas

Si empleamos como material el carburo de tungsteno compuesto (carburo +

fibras), su vida útil se ve prolongada hasta las 90 h. aproximadamente. En la

actualidad existen establecimientos que producen este tipo de tubos en ambos tipos de

materiales, en Internet encontramos, entre otros:

• Butterworth Jetting Systems Inc. (http://www.butterworth.com).

• Ingersoll-Rand (http://www.irwj.com/products/accessories).

• AQUA-DYNE (http://www.aqua-dyne.com/Products/Nozzles/)

• Omax Corporation (www.omax.com/maxjet_5_nozzle.htlm)

Ahora, el desgaste o fin de la vida útil del tubo mezclador (o acelerador de

partículas de abrasivo) se determina por inspección ocular del orificio de salida del

mismo o por apreciar un deterioro en la calidad superficial del corte.


62

A continuación se desarrollará un resumen sobre el diseño y aplicación a

escala industrial de los tubos mezcladores, en los procesos de corte por chorro de

agua y abrasivos llevado a cabo por la Empresa Omax Corporation, WA. USA.

2.5.3 Diseño del perfil interior

El plano presentado a continuación es un diseño de los primeros tubos

mezcladores utilizados (Figura n° 2.17). Posteriormente se presenta el mismo diseño

pero de mayor longitud (Figura n° 2.18).

Figura n° 2.17: Plano de fabricación del tubo mezclador (1er diseño)

Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)


63

Figura n° 2.18: Plano de fabricación Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)

La parte de mayor desgaste, en el cabezal abrasivo, es sin duda el tubo de

mezclado. Recordar que el caudal de partículas de abrasivos que pasan por su interior

es de 7,5.10-3 lb/s o 27 lb/h.

El mismo está sometido a dos fases o modos de desgaste (Figura n° 2.19):


64

Figura n° 2.19: Modos de desgaste en el interior del tubo mezclador Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)

1) En el comienzo del tubo (1/3 de su longitud) se produce la erosión por el impacto

de las partículas de abrasivo que inciden con un ángulo de ataque de

aproximadamente 36°.


65

2) Aquí se produce la erosión por la fricción de las partículas de abrasivo que se

desplazan paralelas a la pared del tubo, siendo el desgaste mucho menor que la fase

anterior debido al bajo ángulo de ataque (entre 0° - 6°).

Es muy importante, para la vida útil del tubo mezclador, que exista una

perfecta concentricidad entre la tobera de agua y el tubo mezclador, de lo contrario la

duración del tubo será de escasos minutos (Figura n° 2.20).

Figura n° 2.20: Desgaste debido a dos casos de centrado deficiente (2 y 3) entre la tobera de

agua y el tubo mezclador. Caso n° 1, centrado correcto Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)

Ahora, debido al fuerte desgaste que presenta este perfil (interior) del tubo

(Figura n° 2.21), los fabricantes se vieron en la obligación de mejorar los diseños

anteriores.


66

Figura n° 2.21: Representación esquemática del proceso de desgaste que sufre este tipo de perfil

Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)

La Figura n° 2.22 presenta el nuevo diseño (B), el cual se subdividió en 3 partes:

Figura n° 2.22: Nuevo diseño del tubo mezclador (diseño B)


Parte UNO: Cono de entrada normal

Parte DOS: Agujero divergente para reducir el efecto erosivo.

Parte TRES: Cilindro para enfocar la mezcla agua-abrasivo en la pieza de trabajo.

Según pruebas realizadas por los fabricantes, pudieron observar, que durante

los primeros 5 - 10 minutos de trabajo se producía un incremento del diámetro de

entrada del tubo. Luego de transcurrido ese tiempo, el desgaste (siempre hablando en

la entrada) se hacía prácticamente nulo (Figura n° 2.23). También observar en esta


67

figura como el desgaste del orificio de salida es proporcional (relación lineal) al

tiempo de empleo, aproximadamente de 0,7 mm (de diámetro)/hora.

Figura n° 2.23: Desgaste función del tiempo de trabajo. Material = B4C


Por lo anteriormente indicado, realizaron un nuevo diseño (Figuras n° 2.24 y

2.25) con lo cual lograron:

Figura n° 2.24: Diseño (C) del tubo mezclador. A la derecha se puede apreciar los ángulos de impacto



68

Figura n° 2.25: Plano de fabricación del nuevo diseño


• Economía en su construcción, por su duración.

• Reducción del desgaste erosivo al disminuir los ángulos de impacto en la

entrada del tubo.


69

Como mencionamos anteriormente estos tubos están estandarizados y se

pueden adquirir directamente con los fabricantes, la gran mayoría son compatibles

unos con otros

2.5.4 Tipos de Materiales de Construcción

Los requisitos primarios que debe reunir el tubo mezclador o acelerador de

partículas abrasivas son:

1) Alta resistencia al desgaste

2) Costo relativamente bajo

Los tubos de cobalto (Co) unido con carburo de tungsteno (WC) se

caracterizan por ser razonablemente duros y tener una excelente resistencia al

desgaste, sobre todo ante abrasivos de dureza moderada. Por lo tanto, este fue el

primer material empleado en los sistemas tradicionales de corte por chorro de agua y

abrasivo.

Luego se desarrollo con éxito un nuevo material para este tipo de aplicación:

carburo de molibdeno (Mo2C) unido con carburo de tungsteno (WC). Su desventaja

principal estaba en su elevado costo, aunque los tubos hechos del material anterior

duraban mucho menos que este.


70

2.5.5 Propiedades de los materiales empleados en los tubos

mezcladores

1) Tubo cerámico normal basado en carburo de tungsteno con agregado de cobalto:

• Componentes químicos (%): W (87,7); C (5,8) y Co (6,1)

• Densidad de la mezcla: 0,535 lb/in3

• Dureza = 1650 ± 80 HV

2) Tubo cerámico basado en carburo de tungsteno con agregado de carburo de

molibdeno:

• Componentes químicos (%): W (87,7); Mo (5,8); C (6,2) y Co (0,08)

• Densidad de la mezcla: 0,524 lb/in3

• Dureza = 2880 ± 80 HV

Otro material utilizado para la construcción de los tubos mezcladores es el

carburo de boro (B4C), el cual presenta una mayor resistencia al desgaste para

ángulos de ataque menores de 35° (Figura n° 2.23). Pero este material no satisface

totalmente las demandas requeridas de resistencia al desgaste, por tal motivo se

desarrollaron materiales compuestos como carburo de boro (B4C) con diboruro de

titanio (TiB2), utilizando resina fenólica como elemento aglutinante.

Este último material compuesto demostró ser, en los ensayos experimentales,

el de mejor comportamiento ante el desgaste abrasivo. Aunque si el abrasivo utilizado

resulta ser alúmina (Al2 03), el material del tubo acelerador de partículas abrasivas

que mejores resultados manifestó (mayor vida útil) fue el B4C - C (5 %).


71

Como podemos ver, si comparamos el primer diseño (Figura n° 2.17) con los

diseños: Figura n° 2.18, diseño B (Figuras n° 2.22) y C (Figuras n° 2.24 y 2.25), hay

un aumento de la longitud del tubo. Esto produce las siguientes ventajas:

1) Aumento de la vida útil.

2) Mejor aceleración de las partículas de abrasivo.

3) Mejor cohesión del chorro traduciéndose en una menor dispersión a la salida del

tubo, menor diámetro de acción del chorro sobre el material de trabajo (foco).


72

2.6 BOMBA DE ALTA PRESION.

Por lo calculado en la sección 2.2, necesitamos una bomba capaz de entregar

agua a 15.500 psi de presión como mínimo. Además, el caudal de la misma (Sección

2.4) deberá ser de 0,94 in3/s.

Las bombas que cumplen con estas características son las de tipo volumétrica.

Pueden ser de émbolo (pistones) o rotativas. Las de émbolo desarrollan mayores

presiones de trabajo que las rotativas.

2.6.1 Bombas Volumétricas

Se clasifican en:

1) Bombas rotativas:

a) De movimiento rotante (bombas centrifugas):

• De paletas fijas: presión = 120 a 175 atmósferas; velocidad de giro = 500 a

1500 rpm; rendimiento máximo = 0,8.

• De paletas rotantes con doble excentricidad: presión = 120 a 175 atmósferas;

velocidad de giro = 500 a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,8.

• De paletas con simple excentricidad: presión = 100 a 175 atmósferas;


b) De doble rotor:

• De tornillo: presión = 60 a 100 atmósferas; velocidad de giro = 1000 a 1500

rpm; rendimiento máximo = 0,75.


73

• De engranajes internos: presión = 120 a 150 atmósferas; velocidad de giro =

1500 a 3500 rpm; rendimiento máximo = 0,7.

• De engranajes externos: presión = 120 a 175 atmósferas; velocidad de giro =


2) Bombas de émbolos (pistones):

a) Excéntrica:

• De pistones en línea: presión = 250 a 1100 atmósferas; velocidad de giro =


• De pistones radiales: presión = 200 a 300 atmósferas; velocidad de giro =


b) De pistones axiales:

• De cuerpo inclinado: presión = 200 a 300 atmósferas; velocidad de giro = 500

a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,88.

• De placa inclinada (bombas rotantes): presión = 200 a 300 atmósferas;


Por todo lo descrito podemos determinar que el tipo de bomba que se adapta a

nuestro requerimiento es la de pistones en línea.


74

2.6.2 Valores importantes a tener en cuenta en el diseño de una bomba

P = presión máxima de trabajo [psi]

V = cilindrada [in3/revolución] = (Π x Ø2pistón / 4 ) carrera del Pistón x n° de Pistones

n = velocidad de giro del elemento impulsor directo (árbol de levas o cigüeñal) [rpm].

ηb = rendimiento de la bomba.

ηm = rendimiento del motor.

ηt = rendimiento total = ηb x ηm.

Q = caudal [in3/min] = V x n x ηb [1]

N = potencia necesaria del motor eléctrico = Q x P / (ηt x 456,24).

2.6.3 Irregularidad del caudal

Las bombas de pistones presentan a causa de sus características constructivas

y funcionales, una oscilación más o menos marcada en el valor instantáneo del caudal

entregado. Para estos tipos de bombas, el caudal nominal dado por los catálogos o

calculados con la fórmula ([1]) es en efecto un caudal medio medido sobre una vuelta

entera. Analizando el funcionamiento instantáneo del caudal se puede notar que sufre

una oscilación tanto mayor y de frecuencia tanto más baja, cuanto menor es el

número de émbolos de bombeo que contribuyen a su distribución durante una vuelta

completa.

El caso límite está representado por una bomba de pistones provista de un

único elemento de bombeo de simple efecto, llamando ciclo de tiempo durante el cual


75

el émbolo sube y baja (realiza dos veces su carrera) o el árbol de accionamiento de la

bomba (de un solo émbolo) cumple una vuelta completa. Se tendrá durante la mitad

del ciclo una fase útil de bombeo durante la cual el caudal instantáneo pasa de cero a

un máximo (período de empuje desde la cámara) para retornar a cero, mientras que

durante la otra mitad del ciclo el caudal permanece nulo a la salida de la bomba

(período de succión hacia la cámara).

Esta situación se representa en la Figura n° 2.26/b, diagrama n° 1. Ahora,

utilizando una bomba de dos pistones que intervienen con un desfasaje de medio ciclo

durante ambos semiciclos tendremos una fase útil, con una anulación de caudal solo

en el instante inicial y central del ciclo: situación representada por el segundo

diagrama de la misma figura.

Aumentando todavía el número de émbolos y disponiéndolos de modo que

durante un ciclo ellos intervengan a intervalos iguales de tiempo, se obtiene en la

conexión de envío de la bomba un caudal que es, instante a instante, la suma de las

contribuciones de varios elementos activos. Gráficamente esta situación está

representada por los restantes diagramas de la Figura n° 2.26/b, los que se nota que a

partir de tres émbolos el caudal resultante asume una característica más regular, es

decir, con una pulsación menos acentuada y de frecuencia más elevada, acercándose

cada vez más a una característica rectilínea.


76

Figura n° 2.26: A) Diagrama del caudal instantáneo. B) Grado de irregularidad de las bombas

de émbolos Fuente: Documento enviado por la Empresa Aqua-Dyne, Houston, Agosto 2003

El comportamiento de una bomba, ya sea por las solicitaciones impuestas al

motor primario, como por la alimentación del actuador, es tanto mejor cuanto más

próxima a una recta esté la curva del caudal resultante.

El parámetro que da una indicación inmediata sobre el fenómeno ahora

descrito es el grado de irregularidad del caudal (G), que es la relación porcentual

entre la oscilación de caudal (expresado por la diferencia (Qmáx - Qmín)) y el caudal

medio sobre un ciclo completo:

G [%] = (Qmáx - Qmín) / Q0 x 100


77

Admitiendo que los caudales instantáneos entregados por cada uno de los

elementos tengan características sinusoidales, los grados de irregularidad para las

bombas de distinto número de émbolos están indicados en la Figura n° 2.26/b al lado

de los respectivos gráficos de los caudales instantáneos. Se observa que es suficiente

pasar de la bomba de un solo pistón a aquella de tres pistones para que el grado de

irregularidad se reduzca en más de 20 veces.

Del examen de la misma figura se obtiene después otra consideración

interesante: para reducir G no es suficiente con aumentar el número de émbolos sino

que se necesita que tal número sea impar. Pasando de 3 a 4 pistones, el grado de

irregularidad en lugar de disminuir aumenta a más del doble; la bomba de 6 pistones

tiene el mismo grado de irregularidad que la de 3 pistones, con la única ventaja de

entregar un caudal doble. De este fenómeno se ocupa el gráfico indicado en la Figura

n° 2.26/a, donde G está representado por dos curvas distintas (2) y (3) para bombas de

pistones impares y pares. En el mismo gráfico la curva (1) indica el grado de

irregularidad de las bombas de engranajes, en función del número de dientes. Una

bomba de engranajes con 7 dientes tiene aproximadamente el mismo G que una

bomba de 4 pistones.


78

2.6.4 Bomba de Pistones en Línea

Se trata de un tipo de bomba que no encuentra aplicación específica en

oleodinámica, pero sí en la hidráulica del agua a alta presión o en el sector de motores

térmicos (bombas a inyección para motores Diesel).

Los émbolos están dispuestos en un único plano con los ejes paralelos entre sí

y perpendiculares al eje del árbol de levas, el cual transmite su movimiento a los

émbolos (Figura n° 2.27).

Figura n° 2.27: Bomba de 3 pistones en línea, en disposición vertical.

Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html, Agosto 2003


79

Análisis de la Presión

La presión máxima que puede entregar una bomba de este tipo está

directamente relacionado con su parte constructiva, a mayor presión se deberán

emplear materiales de mayor resistencia. Ahora, el caudal de la bomba es función de

su cilindrada y de la velocidad de giro del elemento impulsor directo (árbol de levas o

cigüeñal).

Analicemos nuestro caso particular:

P1 = 15.500 psi P2 = -568 psi

A1 = Π x Ø12 / 4 A2 = Π x Ø2

2 / 4

Ø2 = 0,01 in

V2 = velocidad del agua [in/s] Q = A2 x V2

Si entre 1 y 2 (Figura n° 2.28) no hubiera restricción => P1 = 0 psi (manométrica).

Por lo tanto, la presión será función de la restricción al flujo de agua.

Figura n° 2.28: Restricción (tobera) Fuente: Elaboración Propia


80

Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2: P1 / g + V1

2 / (2 g) = P2 / g + V22 / (2 g) =>

P1 = [P2 / g + Q2 / (2 g) x ( 1 / A22 - 1 / A1

2 ) ] x g.

Por lo tanto:

Si A2 disminuye => P1 aumenta (pero A2 = cte).

Si Q aumenta o sea si las rpm aumentan => P1 aumenta.

Si Q es mayor de 0,94 in3/s => P1 será mayor de 15.500 => V2 será mayor.

Selección de la Bomba de Alta Presión.

Investigando en Internet, pudimos ubicar varios fabricantes de bombas de alta

presión a nivel mundial. Aunque muchos fabricantes producen bombas con la presión

requerida, solo uno de ellos proporciona una unidad de bombeo que se adapta a las

condiciones de diseño de nuestro proyecto.

Aqua-Dyne, modelos EK:

Esta empresa nos ofrece distintos modelos que cumplen con nuestros

requerimientos, entre ellos tenemos las bombas de modelos EK10-20000: con una

presión máxima de 20000 psi y un caudal máximo de 0,85 gpm, esta bomba cumple

con las condiciones de presión de trabajo mas se excede en el caudal. También

ofrecen el modelo EK20-20000 con 20000 psi de presión máxima y 1,5 gpm,

ocasionando el mismo inconveniente.

Por último ofrecen la unidad de bombeo, modelo EK 5 con un rango de

trabajo desde 2500 psi a 1,7 gpm, hasta 40000 psi aun caudal de 0,105 gpm.


81

Rangos de trabajo del sistema de bombeo EK 5

Fig. 2.29 Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5

Fuente: http://www.aqua-dyne.com/Product/PumpingUnits (Agosto 2003)


82

3. RESULTADOS Y ANALISIS

3.1 ESTUDIO FUNCIONAL DEL SISTEMA.

En esta etapa del proyecto se describen las características y funciones de cada

uno de los elementos que componen el circuito.

Circuito Al circuito lo podemos dividir en dos partes o subsistemas:

1) Bomba - Tobera: subsistema de energía de presión.

2) Tobera - chapa a cortar: subsistema de energía de velocidad (aceleración de

partículas abrasivas).

Diagrama Principal

Fig. 3.1 Diagrama Principal.

Fuente: Elaboración propia


83

Descripción:

1) Filtro de agua (diámetro de partícula = 0,0177 a 0,02 in).

2) Sistema de Bombeo Aqua-Dyne Modelo EK 5

3) Componente de enlace: Tubo de acero inoxidable trefilado (Øext = 0,315 in,

Øint. = 0,2 in).

4) Válvula de seguridad y descarga

5) Manómetro.

6) Válvula solenoide (secundaria).

7) Acumulador de presión.

8) Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria)

9) Componente de enlace: Tubo de acero inoxidable trefilado articulado o tubo

flexible (ØN = 0,315 in).

10) Tolva de abrasivo (Capacidad 52 lb)

11) Componente de enlace: Tubo flexible, vínculo entre la tolva y la cámara de

aspiración (ØN = 0,236 in).

12) Cabezal abrasivo compuesto por:

a) Tobera de agua "pura". Diámetro = 0,001 in, material: Carburo de

Tungsteno.

b) Cámara de mezcla del agua y el abrasivo.

c) Tubo mezclador o de aceleración de partículas abrasivas. Diámetro (de

salida) = 0,315 in.

13) Lámina a cortar (acero inoxidable austenítico, espesor ½ in).


84

14) Unidad colectora.

Componentes

3.1.1 Filtro

La pureza del agua utilizada para cualquier proceso de corte hidro-abrasivo

cumple un rol muy importante en la vida de algunos componentes crítico de la

máquina, así como el agujero de salida de la tobera, válvulas, sellos y pistones. La

mas afectada es la salida de la tobera de alta presión; para poder ejecutar un corte de

alta calidad, el orificio debe crear una corriente de alta calidad dirigida al centro de la

cámara de mezcla, por lo tanto los contaminantes en el agua pueden crear múltiples

problemas para el orificio. Estos contaminantes, pueden ser clasificados en dos

grupos: sólidos disueltos y sólidos suspendidos.

Las partículas en suspensión en el agua, impactan en el borde del orificio de

salida de la tobera produciendo astillones, acarreando como resultados mala calidad

de la corriente de agua, baja capacidad de corte y el acortamiento de la vida útil del

tubo mezclador. Las partículas disueltas pueden precipitar la solución en la entrada

del orificio, con el tiempo un anillo de este precipitado se va formando alrededor del

orificio, eventualmente una porción de este anillo puede llegar a romperse y dañar el

orificio e interrumpir el corte.

El agua que es demasiado pura también causa problemas en los componentes

de alta presión. Al ser el agua tan pura, existe un alto potencial de que esta disuelva

materiales con los cuales entra en contacto. Por lo tanto el excesivo tratamiento de las

aguas de trabajo puede deteriorar los componentes del sistema de alta presión.


85

Como vemos debe existir un balance entre el agua pura y el agua no tratada.

Ultimadamente el costo del tratamiento del agua debe ser comparado con el

acortamiento de la vida de los componentes y la depreciación del equipo de corte. Las

aguas del servicio público siempre deben ser analizadas previo a la instalación de

cualquier sistema de corte con agua. Esto permitirá la elección e instalación de un

sistema de tratamiento adecuado, así que el requerimiento de tratamiento de agua

puede variar desde absolutamente nada, hasta simples filtros, pequeños suavizadores

de agua o incluso pequeños equipos de osmosis inversa.

3.1.2 Sistema de bombeo Aqua-Dyne EK 5

Este sistema de bombeo es fabricado por la Empresa Aqua-Dyne cuyas

características de trabajo se mencionaron en la sección 2.6.4 página 81-82 y también

están descritas en el Apéndice.

3.1.3 Componentes de enlace

Hasta la válvula solenoide de bloqueo (Figura n° 3.1, componente n° 8) se

utiliza un tubo de precisión de acero inoxidable sin costura trefilado en frío, al cual se

lo somete a un tratamiento térmico de recocido para garantizar la plasticidad

necesaria y así poder obtener la deformación en frío (curvado) sin llenado de arena

(Figura n° 3.1, componente n° 3). También descritas en el Apéndice.

Datos característicos del componente n° 3 · Øext. = 0,5 in


86

· Øint = 0,2 in

· Pmáx = 40.000 psi

· Presión de trabajo = 15.500 psi

3.1.4 Válvula de seguridad y descarga. Válvula solenoide de

Bloqueo (Principal)

Cuando se desee terminar con la acción cortante (flujo de agua y abrasivo), se

accionará esta válvula.

Elemento de Seguridad del Circuito

Al accionarse la válvula solenoide de bloqueo (cierre del paso de agua hacia el

cabezal abrasivo), la presión del circuito (hasta esta válvula) se elevará, por lo tanto

será necesario colocar una válvula que ponga un límite a la presión.

Con esto se evitan los daños a los componentes y a las tuberías que podrían

derivar de un aumento incontrolado de la presión, de por sí particularmente fácil en

todos los circuitos que contienen un líquido.


87

Alternativas 1) Válvula limitadora de presión (Figura n° 3.2): La válvula de acción directa emplea

como fuerza de contraste un resorte cilíndrico (3) que actúa contra un elemento móvil

de retención (cono (2)) que normalmente apoya sobre su asiento.

Figura n° 3.2: Esquema interno de una válvula limitadora de presión de acción directa

Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.

Una válvula de acción directa emplea como elemento móvil un cono solidario

a un pequeño pistón ubicado en su alojamiento correspondiente: cada movimiento del

cono proveniente de la entrada en funcionamiento de la válvula, determina también el

deslizamiento del pistón en su alojamiento ciego: entre éste y el exterior está previsto

un intercambio de aceite, que realiza la acción amortiguante sin la cual la válvula

mostraría una tendencia a las vibraciones con elevado ruido y con el peligro de dañar

otros componentes de la instalación debido a una oscilación persistente de la presión.


88

Para disponer de una cierta elasticidad de uso, una válvula reguladora de

presión debe permitir un control de la presión de apertura dentro de un cierto rango de

valores. En las válvulas de acción directa, tal regulación se lleva a cabo variando la

fuerza de precarga mediante dispositivos de tornillo (4) comandados a llave o a mano.

En estas condiciones, el cono se encuentra sujeto a dos fuerzas que normalmente son

distintas; por un lado está la fuerza del resorte; por el lado opuesto actúa la fuerza

determinada por el producto de la presión del agua por la superficie activa del cono.

En el momento en que la segunda fuerza supera el valor establecido, el resorte cede y

el cono se levanta abriendo el pasaje hacia el tanque.

Entre los requisitos de una válvula del tipo descrito, además de la ausencia de

vibraciones, está la rapidez de reacción, que se traduce en un tiempo breve de

apertura (del orden de algunos centésimos de segundo); se requiere que la presión de

apertura no sea influenciada sensiblemente por el caudal y por la viscosidad, y que la

retención sea prácticamente perfecta.


89

2) Válvula de seguridad y descarga (Figura n° 3.3): Este es un dispositivo necesario

en los sistemas con bomba. Cuando la bomba suministra el líquido de trabajo (agua)

al sistema, la válvula de descarga permanece cerrada, como se muestra en dicha

figura. Al cerrarse la válvula solenoide de bloqueo, la presión del sistema comienza a

elevarse hasta que el resorte (1) comienza a ceder por la acción del émbolo (6) con lo

cual se ponen en contacto el conducto (2) con el de impulsión.

Figura n° 3.3: Esquema interno de una válvula de seguridad y descarga

Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.

El agua llega al pistón (3), el cual desplazándose hacia arriba y comprimiendo el

muelle (4), abre la válvula de bola (5). Por lo tanto el agua proveniente de la bomba

pasa al desagüe y la presión de la misma se ve disminuida. Una vez abierta la válvula


90

solenoide de bloqueo, la presión del sistema desciende; el resorte (1) baja el émbolo

(6), el émbolo (3) y la bola (5), la bomba retoma la presión de trabajo (15.500 psi).

Elección de la Alternativa mas Conveniente

En la primera alternativa descrita (Figura n° 3.4/1), al cerrarse el paso de agua

(t1) la presión de la bomba aumenta hasta que el resorte cede y produce la apertura de

la válvula. Aquí la presión de apertura (P2) se mantiene constante hasta que la válvula

de bloqueo se abra (t2) y la presión retome su valor de trabajo (P1).

Figura n° 3.4: Variación de la presión de trabajo de la bomba principal

Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.

En la segunda alternativa descrita (Figura n° 3.4/2), al cerrarse el paso de agua

(t1) la presión de la bomba aumenta hasta que se produzca el desplazamiento de la

bola de cierre (Figura n° 3.3, elemento n° 5). Aquí la presión de la bomba desciende


91

(P3) y la del sistema (entre la válvula retorno y la válvula de bloqueo) permanece en

P2. Una vez abierta la válvula de bloqueo (t2) la presión de la bomba desciende

levemente (P4) y luego se eleva hasta el valor de trabajo (P1). Todo esto marca varias

ventajas respecto de la alternativa anterior. Al bajar la presión de la bomba (marcha

en vacío): a) Disminuye el consumo de energía por parte del motor eléctrico (menor

par)

b) Disminuye el desgaste de la bomba.

Por lo tanto seleccionamos la alternativa n° 2: válvula de seguridad y descarga.

Otras características

Si el corte del suministro de agua a la tobera se prolonga por más de unos

minutos (válvula solenoide de bloqueo cerrada), el motor eléctrico se detendrá.

Además, otra causa por el cual actúa este elemento de seguridad del circuito es la

progresiva obturación que va sufriendo con el uso, la pequeña tobera de agua (Ø =

0,01 in) debido al depósito de sedimentos producto de un incorrecto filtrado del

fluido.

3.1.5 Manómetro

Se colocará un manómetro (mide presión manométrica) para regular con

exactitud la válvula de seguridad y descarga y controlar la correcta presión del

circuito.


92

3.1.6 Válvula solenoide (secundaria)

Esta válvula se abrirá con la parada de la Unidad de Bombeo (y se cerrará con

el arranque de la misma). Tiene como función, descargar la presión del acumulador,

para el caso de tener que iniciarse cualquier desmontaje de las líneas del circuito.

3.1.7 Acumulador de presión

A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en los sistemas hidráulicos no

pueden ser comprimidos y almacenados para su utilización en cualquier tiempo o

lugar. Cuando puede utilizarse, la ventaja de un acumulador consiste en suministrar

un medio de almacenar fluidos incompresibles bajo presión. Esto se consigue porque

cuando el fluido hidráulico, bajo presión, entra en la cámara del acumulador hace una

de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso.

Cualquier tendencia a disminuir que tenga la presión, a la entrada del acumulador,

hace que el elemento reaccione y obligue al líquido a salir.

En nuestro circuito el acumulador cumple con varias funciones:

1) Absorber las pequeñas variaciones de presión, consecuencia del caudal discontinuo

que entrega la bomba principal, haciéndola más constante.

2) Absorber los picos de presión debido al cierre brusco de la válvula solenoide de

bloqueo (Figura n° 3.1, componente n° 8).

3) Mantener el circuito (entre la válvula de retorno y la válvula solenoide de bloqueo)

a la presión de trabajo (15.500 psi), mientras la bomba principal trabaja a baja presión

(esta situación se produce cuando se cierra momentáneamente la válvula solenoide de

bloqueo).


93

Descripción

Probablemente el acumulador más utilizado es el de la cámara cargada con un

gas inerte, generalmente nitrógeno seco. Puede utilizarse aire u oxígeno, siempre que

el fluido hidráulico no sea aceite (peligro de explosión). Un acumulador hidráulico

debe cargarse cuando está vacío de fluido hidráulico. Las presiones de carga de gas

varían en cada aplicación y dependen del intervalo de presiones de trabajo y del

volumen de fluido requerido en dicho intervalo. La presión de carga del gas no debe

ser inferior al 25 % (preferentemente al 33 %) de la presión máxima de trabajo. La

presión del acumulador varía en proporción a la compresión del gas, aumentando

cuando entra el fluido y disminuyendo cuando sale.

Clasificación 1) A superficie libre: aquí no existe ninguna separación entre el fluido hidráulico y el

gas. Se utiliza frecuentemente en máquinas de inyección y debe montarse

verticalmente. Es importante seleccionar una relación de volúmenes y presiones, de

tal forma que no sea utilizado más que un 65 % del fluido del acumulador, a fin de

evitar que el gas se descargue en el sistema.

2) De membrana o de vejiga: muchos acumuladores llevan incorporada una

membrana o vejiga de caucho sintético (Figura n° 3.5) que separa el gas del fluido

hidráulico. Como ciertos fluidos inflamables no son compatibles con las membranas o

vejigas convencionales, es importante seleccionar el material adecuado para las

mismas. El fluido en su interior puede variar entre el 25 % y el 75 % de la capacidad


94

total, según las condiciones de funcionamiento. Trabajando fuera de estos límites, la

vejiga podría dilatarse o comprimirse demasiado, limitando su duración.

Figura n° 3.5: Acumulador de gas, de membrana o vejiga

Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Selection procedure for Hydraulics Accumulator, Louis Dodge, Consultant, New Richmond Ohio.

3) De pistón: otro método para separar el gas del fluido hidráulico es mediante un

pistón libre. Similar en construcción a un cilindro hidráulico, el pistón bajo la presión

del gas en uno de sus lados tiende a enviar afuera el fluido contenido en la cámara

opuesta. Aquí, también, la presión depende de la compresión y varía con el volumen

de aceite que hay en la cámara.

Adoptamos: acumulador de membrana. Gas: aire, presión x volumen = cte.


95

3.1.8 Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria)

Cuando se desee terminar con la acción cortante (flujo de agua y abrasivo), se

accionará esta válvula.

3.1.9 Componente de enlace

Entre la válvula solenoide de bloqueo y el cabezal de mezcla (Figura n° 3.1,

componente n° 9) se puede utilizar un sistema de tubo de acero espiralado, articulado

o una combinación de tubo de acero inoxidable y tubo flexible. Este último está

constructivamente formado por doble malla de alta resistencia para soportar altas

presiones.

3.1.10 Tolva de abrasivo

Descrita anteriormente en la alternativa N° 7 de la sección 2.4 de la página 42.

3.1.11 Componente de enlace

Tubo flexible, este crea un vínculo entre la tolva y la cámara de aspiración

(ØN = 0,3 in).

3.1.12 Cabezal abrasivo

Descrita anteriormente en la sección 2.4 y 2.5 de las páginas 40 y 58

respectivamente.

3.1.13 Lámina a cortar

El diseño de este proyecto se basa en cortar láminas de acero inoxidable de ½”

de espesor, descrito anteriormente en la sección 1.4 de la página 11.


96

3.1.14 Unidad colectora

Por debajo del plano de corte se coloca una unidad colectora de la mezcla

agua-abrasivo y material removido de la chapa cortada. En el interior de esta unidad

se pueden colocar bolitas de acero inoxidable o de aluminio, para absorber la energía

que aun contiene el chorro de agua abrasivo luego de traspasar la pieza de corte.


97

3.2 CONTROL DE COORDENADAS

3.2.1 Sistemas de control

Limitaciones fundamentales para sistemas tradicionales de control

numérico.

Históricamente las máquinas de corte por agua y corte hidro-abrasivo han

utilizado sistemas de control numérico tradicionales empleando la conocida

herramienta de trabajo “G-code”. Sin embargo, existe un rápido distanciamiento de

esta tecnología por parte de los sistemas hidro-abrasivos, particularmente aquellos de

aplicaciones de corridas rápidas y de producción limitada. Los controladores G-code

fueron desarrollados para mover herramientas de corte rígidas, como fresadoras o

tornos. El avance para estas herramientas es generalmente constante a variada

solamente en incrementos discretos para esquinas y curvas. Cada vez que se desee

variar la velocidad de avance, se debe reprogramar la herramienta que utilice este

sistema automatizado.

Definitivamente las máquinas de corte con agua o corte hidro-abrasivo no son

herramientas de corte rígidas; utilizando una velocidad de avance constante se

producirá acabados superficiales deficientes tanto en las esquinas como en las curvas.

A demás al hacer cambios discretos en la velocidad de corte, también se producirá

cortes disparejos donde se produzca la transición. Por lo tanto los cambios en el

avance para las esquinas y curvas deben ser realizados suavemente y gradualmente,

con el avance determinado por el tipo de material a cortar, su espesor y la geometría

de la pieza.


98

Fig. 3.6: Software de control numérico de la empresa Omax Corporation.

http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003

La base de los sistemas de control modernos es el control de algoritmos que

computen exactamente como debe variar el avance para geometrías y materiales

determinados para producir una pieza con un maquinado preciso. El algoritmo

determina las variaciones deseadas en el avance cada 0,0005 in a lo largo del corte

para producir piezas con acabados muy precisos. Utilizando el G-code para convertir

las velocidades de avance necesarias en instrucciones de control para los servo-

motores requerirá de muchísima programación y memoria del controlador. En cambio

los sistemas modernos utilizan el poder y la memoria de un PC para computar y

almacenar todas las velocidades de avance necesarias para la producción de una

determinada pieza, y dirigirla directamente a los servo-motores que controlan los ejes

de corte. Esto trae como resultado la producción de piezas mas precisas y mas fáciles

de crear que si se utilizara el sistema G-code.


99

Estos programas se pueden adquirir fácilmente vía Internet o directamente con

los fabricantes de este tipo de máquinas.

Se puede incorporar un equipo de control numérico X - Y - Z con CAD -

CAM, para la realización de cortes según figuras previamente confeccionadas en un

módulo CAD.

Este programa descrito a continuación (Abrcalc.exe) obtenido en Internet nos

permite determinar (Figura n° 3.6), aproximadamente, los valores de velocidad de

corte lineal [pulgadas/min] y la potencia requerida por la bomba, luego de introducir

los siguientes parámetros:

Figura n° 3.7: Software aplicado al corte por chorro de agua y abrasivos

http://www.waterjets.org/abrasive_waterjet_software_downloads.html, Septiembre 2003


100

• Material a cortar

• Espesor de corte [pulgadas]

• Presión de trabajo (bomba de agua) [psi]

• Caudal de abrasivo [lb/min]

• Diámetro tobera de agua [pulgadas]

• Diámetro (de salida) tubo mezclador [pulgadas]

En el mercado global se pueden obtener distintos software para el manejo de

este tipo de maquinarias.

3.2.2 Mesas de corte X – Y

Para poder fabricar piezas de precisión, un sistema de corte hidroabrasivo debe

tener una mesa de corte X -Y de precisión y sus respectivos sistemas de control de

movimiento. Las mesas se podrían dividir en cuatro categorías generales:

1. Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte.

2. Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.

3. Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.

4. Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte.

Cada uno de estos sistemas tiene sus ventajas y desventajas.


101

Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte.

Este sistema es el mas comúnmente utilizado por los fabricantes de sistemas de

corte hidroabrasivo. La estructura que soporta el sistema de movimiento en los ejes

X-Y esta asegurada directamente al piso y esta separada de la mesa de corte y de la

unidad colectora. La o las cabezas de corte están montadas en una carrilera que

permita moverlas a lo largo de la viga que atraviesa la mesa. El puente grúa esta

soportado en cada extremo por un sistema de guía y es movido por tornillos sin fin,

ensambles de cremallera y piñón o correas localizadas en cada extremo. El

mecanismo del eje paralelo es operado por dos motores electrónicamente acoplados o

por un simple motor manejando un sistema mecánicamente acoplado.

Fig. 3.8 Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte



102

Ventajas de este sistema:

• Fácil de manufacturar en un amplio rango de tamaños.

• Bien adaptado al uso de boquillas múltiples para grandes corridas de

producción.

• La mesa y unidad colectora pueden ser estructuralmente sencillas.

• Bien adaptado para configuraciones especiales de mesas requeridas para el

rápido manejo de materiales.

Desventajas del sistema:

• La instalación requiere de extremada delicadeza y técnicos hábiles y

especializados de manera de asegura que la mesa de corte y el puente grúa

estén debidamente alineados.

• La precisión de la piezas esta limitada debido al potencial de movimiento

relativo y vibraciones entre la mesa de corte y el puente grúa (en particular la

vibración del piso pude ser un problema).

• La precisión del sistema en general será afectada por movimientos a largo

plazo del piso, la alineación debe ser analizada periódicamente.

• Como la viga del puente grúa se mueve en ambos extremos, debe ser

utilizado un sistema electrónico o mecánico de muy alta calidad para asegurar

que ambos extremos se muevan de la misma manera, de lo contrario la

precisión se vera afectada.


103

• Se le debe dar extrema atención al análisis y control apropiado de las

vibraciones de la mesa, puente grúa, y la estructura de soporte de la misma.

Es importante que estos sistemas sean evaluados para precisión dinámica

utilizando sistemas de medición dinámica a la máxima velocidad de corte,

puede que el sistema tenga una excelente precisión estática, pero pude tener

partes imprecisas debido a las vibraciones.

Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.

Este sistema es muy similar al anteriormente descrito, a excepción que las

guías del puente grúa están integradas a la mesa de corte. Como todo este sistema es

parte de una misma estructura el movimiento relativo no deseado se elimina

automáticamente. En este tipo de sistemas, el piso no es una parte vital del mismo.

Estos sistemas típicamente son mas precisos que la mayoría de los de puente grúa

separado de la mesa.

Fig. 3.9 Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.



104


• Bien adaptado al uso de boquillas múltiples para grandes corridas de

producción.

• Mejor precisión dinámica que el sistema anterior, debido a la desaparición de

movimientos relativos.

• La precisión del sistema puede ser mejorada directamente en la fábrica y no

requiere de larga instalación ni alineación.

• Se requiere menor superficie de instalación debido a la eliminación del marco

externo de soporte.

Desventajas:

• Su producción es más costosa que el sistema tradicional anteriormente

mencionado.

• La estructura de la mesa y la unidad colectora deben ser bastante

complejas para asegurar la alineación precisa de los rieles de las vigas.

• El cargar material en la mesa puede ser complicado porque la viga del

puente grúa puede interferir, a menos que la viga pude ser apartada

completamente.

• Como la viga del puente grúa se mueve en ambos extremos, debe ser

utilizado un sistema electrónico o mecánico de muy alta calidad para

asegurar que ambos extremos se muevan de la misma manera, de lo

contrario la precisión se vera afectada.


105

• Se debe poner mucha atención al control de vibraciones en el puente grúa

para que la precisión dinámica no se vea afectada.

Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.

Este sistema utiliza un eje X montado en el piso, y un eje Y en cantiliver

montado en la viga del eje X. La cabeza de corte instalada en un carril en el eje Y. La

mesa de corte y la unidad colector ase encuentran completamente separadas de esta

estructura.

Fig. 3.10 Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.



• Mejor acceso a la mesa de cortar debido a que la estructura de puente esta

separada de la mesa.

• Elimina la necesidad de un sistema de precisión dual requerido por un puente

grúa; la viga en cantiliver solo necesita ser movida en un solo extremo.


106

• La mesa y unidad colectora pueden ser estructuralmente sencillas.


• El eje Y esta limitado a una distancia aproximada de 5 pies, debido a

consideraciones estructurales.

• La viga en cantiliver debe ser cuidadosamente diseñada para controlar las

vibraciones o de lo contrario la precisión dinámica se verá afectada. En

sistemas grandes es requerido un sistema de absorción de vibraciones en el eje

Y. En este tipo de sistemas debe ser evaluada la precisión dinámica, ya que

este puede tener excelente precisión estática pero puede hacer partes muy

imprecisas debido a las vibraciones.

• La instalación requiere de extremada delicadeza y técnicos hábiles y

especializados de manera de asegura que la mesa de corte y la estructura estén

debidamente alineados.

• La precisión de la piezas esta limitada debido al potencial de movimiento

relativo y vibraciones entre la mesa de corte y la estructura. ( La vibración de

el piso en particular puede ser un problema)

• La precisión del sistema en general será afectada por movimientos a largo

plazo del piso, la alineación debe ser analizada periódicamente.

• No funciona bien para aplicaciones de múltiples boquillas, pero su

configuración puede ser posible.


107

Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte

Este sistema emplea un eje X acomodado que esta estructuralmente integrado

al sistema de soporte utilizado para soportar el material a cortar. El eje Y en cantiliver

está montado en la viga del eje X.

Fig. 3.11 Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte


Ventajas del sistema:

• Mejor precisión y por lo tanto piezas mejor fabricadas que el sistema anterior

porque el piso no es parte de la estructura y no existe movimiento relativo

entre las piezas.

• La precisión del sistema puede ser mejorada directamente en la fábrica y no

requiere de larga instalación ni alineación.

• Se requiere menor superficie de instalación debido a la eliminación del marco

externo de soporte.


108

• Mejor acceso a la mesa de cortar debido a que la estructura de puente esta

separada de la mesa.

• Elimina la necesidad de un sistema de precisión dual requerido por un puente

grúa; la viga en cantiliver solo necesita ser movida en un solo extremo.


• La estructura de la mesa y la unidad colectora deben ser bastante

complejas para asegurar la alineación precisa de los rieles de las vigas, y

por lo tanto mas costosas que el sistema anterior.

• El eje Y esta limitado a una distancia aproximada de 5 pies, debido a

consideraciones estructurales.

• La viga en cantiliver debe ser cuidadosamente diseñada para controlar las

vibraciones o de lo contrario la precisión dinámica se verá afectada. En

sistemas grandes es requerido un sistema de absorción de vibraciones en el

eje Y. En este tipo de sistemas debe ser evaluada la precisión dinámica, ya

que este puede tener excelente precisión estática pero puede hacer partes

muy imprecisas debido a las vibraciones.


109

Factores a tener en cuenta en el diseño de cualquier sistema de calidad

Independientemente del sistema elegido, algunos factores deben ser tomados

en cuenta para todos los casos.

• Movimiento preciso tanto en el eje X como en el eje Y con sistemas de

movimientos servo conducidos sin juego en los sistemas de movimiento con

tornillo sin fin.

• Un sistema integral de amortiguación de vibraciones para unidades con

movimientos de la boquilla mayores de 30 in. en el eje más corto.

• Tratar de instalar el sistema de bombeo separado tanto de la mesa de corte

como del puente grúa para asegurar que no se transmitan vibraciones de la

bomba ni a la mesa ni a la boquilla de corte.

• Tablilla de soporte de material fácilmente reemplazable.

• Las guías de las correderas de los ejes, tornillos sin fin deben ser

correctamente sellados, para evitar recolectar polvo y viruta.

• Capacidad de llenar y vaciar rápidamente la unidad colectora para permitir

que tanto el material de corte como la viruta se hunda, minimizando el ruido y

el polvo.


110

3.3 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE

MAQUINADO HIDRO-ABRASIVO

En el proceso de corte por chorro de agua y abrasivo (Abrasive Waterjet

Cutting) intervienen los siguientes parámetros principales, para cortar una lámina de

½” de espesor:

• Presión de agua = 15.500 psi

• Caudal de agua = 0,94 in3/s

• Ø Tobera = 0,01 in

• Ø (salida) Tubo mezclador o acelerador de partículas abrasivas = 0,0315 in

• Distancia entre la salida del tubo mezclador y la lámina a cortar = 0,28 in

• Angulo de ataque (ángulo entre el eje del tubo mezclador y la lámina a cortar) = 90°

• Tipo de abrasivo: garnet (granate)

• Caudal de abrasivo = 7,5. 10-3 lb/s

• Øpartícula = 7,09 .10-3 in (mesh [malla] 80)

Estos son los principales parámetros que tienen una influencia directa sobre el

proceso de corte por chorro de agua abrasivo:

1) Si aumentamos la presión de la bomba, aumenta en forma lineal la profundidad de

corte.

2) Si aumentamos el caudal de abrasivo hasta un cierto valor (desde cero), el aumento

de la profundidad de corte es casi exponencial, luego pasa a cúbica y finalmente

inversa (atoramiento en el tubo mezclador).


111

3) Un alto valor de caudal de abrasivo, proporciona un alto poder cortante, pero

ocasiona un desgaste más rápido del tubo mezclador. Esta relación no resulta ser

lineal. Ahora, un valor excedente (mayor de 1,6. 10-2 lb/s) reducirá la eficiencia del

mezclado y puede producirse un atascamiento en la línea de entrega y por lo tanto la

interrupción del proceso de corte.

4) Si aumentamos la velocidad de corte, disminuye la calidad superficial del corte y la

profundidad de corte.

5) Si aumentamos la separación entre el tubo mezclador (punto de salida) y la pieza a

cortar, disminuye la profundidad de corte.

6) El ángulo de ataque del chorro de agua abrasivo al material a cortar, resulta ser un

parámetro importante que afecta el proceso de maquinado. Normalmente es de 90°.

7) El tamaño de partícula de abrasivo influye sobre la terminación superficial y

profundidad de corte de la siguiente manera:

a) A mayor tamaño de partícula, se necesitara mayor distancia para lograr su

aceleración (por parte del chorro de agua) con respecto a la partícula de menor

tamaño. Al utilizar partículas de menor tamaño, obtendremos mayor velocidad

de proyección y una mayor cantidad de partículas que impactan sobre el

material a cortar, ocasionando mayor profundidad de corte que si se trabajara

con partículas de tamaño mayor.

b) A menor diámetro de partícula de abrasivo, se obtiene una superficie de

menor rugosidad.


112

3.4 ESTUDIO APROXIMADO DE COSTO DE LOS COMPONENTES

DE LA MAQUINA

A) Elementos fijos: a) Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5: 8500 $ aprox.

b) Tubo de acero inoxidable trefilado AQUA-DYNE: 80 $/m.

B) Elementos intercambiables:

a) Tobera de agua "pura": material = zafiro, duración aproximada = 200 hs, costo =

$50

b) Tubo mezclador: material = carburo de tungsteno compuesto, duración aproximada

= 90 hs, costo =140 $ – 250 $, dependiendo del fabricante.

Costo de los elementos intercambiables: entre 190 $ y 300 $.


113

CONCLUSIONES

Al iniciarse este proyecto se tenía la idea de hacer el estudio del sistema para

cortar láminas de acero inoxidable de ½” de espesor con agua a presión únicamente.

Luego de haber realizado los cálculos pertinentes pudimos darnos cuenta que era

físicamente imposible debido a las presiones extremas requeridas para realizar el

corte. Debido a esto nos vimos obligados a investigar sobre el corte hidro-abrasivo, y

procedimos a realizar los cálculos para llevar a cabo el corte mediante este proceso.

Notando así que todos los fabricantes de máquinas de corte con agua utilizan

abrasivos para facilitar el corte de los diferentes tipos de materiales y abaratar los

costos de mecanizado. Llevándonos así a investigar sobre los tipos de abrasivos y la

forma en que estos se deben incorporar al sistema para lograr el objetivo.

Además se realizó un estudio y análisis de cada uno de los elementos que

conforman el sistema, entre ellos filtro, sistema de bombeo, válvulas, acumuladores

de presión, mangueras, toberas, y tubos mezcladores con el objetivo de ver cual es el

papel que juega cada uno dentro del sistema.

Finalmente se hizo referencia a los distintos softwares utilizados que hacen

posible el correcto manejo de este sistema de maquinado. Así como también de los

distintos diseños de mesas de corte, a fin de tener una documentación completa para

introducir en el campo a personas o Instituciones interesadas en la construcción de

este tipo de equipo.


114

Este sistema de corte presenta una serie de ventajas tales como:

• En el momento de efectuarse el corte, el agua se lleva consigo los restos de

material extraído.

• Las partículas del material son desprendidas por la gran energía del medio de

corte y finalmente son arrastradas por el curso del desague. Debido a esto se

impide la formación de polvo.

• El chorro de agua no desarrolla un alto calor durante el corte. La poca

temperatura que se desarrolla por la rotura de las partículas del material, es

evacuada inmediatamente por el chorro de agua, ya que este actúa como

refrigerante. Por lo tanto no hay Zona Afectada por el Calor (ZAC), no existe

posibilidad que se produzca un cambio en la estructura ni que se forme una

aureola en dicha zona.

• El material a cortar absorbe, durante el proceso de corte, muy poca humedad

porque la elevada velocidad del agua produce la rotura de las partículas en

fracción de segundos, no dando lugar a la absorción de humedad (cuando se

realice el corte de otro tipo de material: madera, cartón, etc.).

• No se forma rebaba (al no haber fusión del material).

• La terminación superficial obtenida es similar al de una pieza arenada.

115

BIBLIOGRAFIA

• Shigley, J. E. Mischke, C. R., Diseño en Ingeniería Mecánica, (5° Edición).

McGraw-Hill, México 1999.

• Gere y Timoshenko, Mecánica de Materiales, (2da Edición), Grupo Editorial.

Latinoamérica, México, 1984.

• Avner, S. H., Introducción a la metalurgia física, (2° Edición), McGraw-Hill.

• Flin/Trojan, Materiales de ingeniería y sus aplicaciones, McGraw-Hill.

• Victor Streeter, Mecánica de los fluidos, McGraw-Hill.

• Viejo Zubicaray Manuel, Bombas, Teoría Diseño y Fabricación (2° Edición),

Limusa.

• Guía de la cátedra de Sistemas Hidráulicos y Pneumáticos de la Universidad

Metropolitana:

o Louis Dodge, Selection procedure for Hydraulics Accumulator,

Consultant, New Richmond Ohio.

o Kauffman Jack, Pressure control valves, Basic Course in hydraulics

systems, Racine Hydraulics Inc.

o American National Standard Graphic Symbols for fluid Power

Diagrams, ANSI Standard Y32.10-1967.

o Catalogos de Equipos Racyne Hydraulics.

116

• Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Libro Informático AWJC,

Universidad Nacional de Rosario – Sta Fé Argentina, 2002.

• Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg,

Alemania, Junio 2003.

• Documento enviado por la Empresa Aqua-Dyne, Houston, Agosto 2003.

Fuentes electrónicas:

http://www.ingersoll-rad.de

http://www.woma.com

http://www.waterjets.org

http://www.aqua-dyne.com

http://www.omax.com

http://www.globalspec.com

http://www.science.howstuffworks.com

http://www.flowlatino.com

http://www.flowcorp.com

117

Características del Sistema de Bombeo Aqua-Dyne EK 5.

Fluid Specifications Power Requirements Product Names

indicates an exact match

Max. Fluid Temperature

(F)

Max. Inlet

Pressure (psi)

Max. Outlet

Pressure (psi)

Max. Fluid

Viscosity (cps)

Max. Flow

(L/min)Power

RequirementsPower

Required (HP)

Plunger Options

Pump Size and Weight Description

Material Features Application/Material Options

Notes

EK5

40.000

0,9470

AC, DC, Gas, Diesel, Other

5,00

Multi

Weighs 119 lbs.

SS, Iron

Inlet, Leakproof,

Cont

Fluid, Power, Petroleum, Marine,

Military

Stainless Steel fluid cylinders,

three solid ceramic plungers,

3.5" stroke

MANGUERAS

Part Number

Hose ID (in.)

Hose OD (in.)

End Connector

(in.)

Min Bend

Radius (in.)

End Fitting OD (in.)

S20781-XX* .20 .50 3/8" HP 6.0 Tube Nipple 3/8" & 9/16" HP

.68

Type "M" Swivel 9/16" HP

.85

Female Swivel 1/4" & 9/16" HP

.85

Female Swivel 1/4" BSP

.85

• XX denotes the length of hose in feet.

MANGUERAS

Part Number

Hose ID (in.)

Hose OD (in)

End Connector

(in.)

Min Bend

Radius (in)

End Fitting OD (in.)

S20773-XX* .33 .61 9/16" MP 7 .95 S20774-XX* .50 .88 9/16" MP 8 1.13 S20074-XX* .80 1.3 1" MP 15 1.69

* XX denotes the length of hose in feet.

CORTE TRNSVERSAL DE BOQUILLA HIDRO-ABRASIVA

117

APENDICE

Con la introducción de Autoline™, Ingersoll-

Rand – lider del mercado en la tecnología

del corte por chorro de agua durante más de

cuatro décadas – ha desarrollado un cabezal

de corte que proporciona la mayor eficiencia

utilizando componentes de larga vida. Este

cabezal testado que puede adaptarse a otros

sistemas de corte más convencionales

proporciona una automática y exacta alinea-

ción del orificio de agua y el tubo focalizador.

El consistente haz del agua con abrasivo

revierte en un alto grado de repetibilidad así

como una destacable velocidad de corte. El

cabezal Autoline es particularmente eficiente

al no requerirse herramienta alguna para la

sustitución de consumibles.

Características de Autoline™

• Orificio y focalizador prealineados eliminan

tiempos de preparación manteniendo un

preciso punto centro de herramienta (TCP),

y asegurando un efectivo haz de corte.

• El sistema patentado de montaje de la

boquilla sin necesidad de herramienta algu-

na, permite una rápida sustitución de orifi-

cio y focalizador, sin necesidad de desco-

nectar la manguera de abrasivo.

• AutolineTM utiliza para el corte con abrasi-

vo el mismo orificio que el usado para corte

de agua pura. Solo se necesita cambiar de

tuerca

• Montaje del orificio sin fricción asegurando

la repetibilidad y alineación precisa.

• Sólo tres consumibles: orificio, cámara de

mezcla y focalizador. Todos ellos fabricados

en materiales de larga vida reduciendo

costes e incrementando la productividad.

• La cámara de mezcla de larga vida permite

el cambio único del inserto y no de toda la

cámara.

• El cabezal de corte, incluyendo la válvula

neumática pesa sólo 2,3 kg. Lo cual da una

mayor flexibilidad a la hora de diseñar mon-

tajes de cabezas múltiples.

Boquilla de Abrasivo

Aplicaciones Autoline™

Las Soluciones de Corte Hidroabrasivo de

Ingersoll-Rand son la respuesta acertada. La

combinación de orificio de larga duración con

los sistemas integrados de dosificado de abra-

sivo y de alimentación de abrasivo logran una

productividad hasta hoy sin precedentes. Adi-

cionalmente, los tiempos de parada se ven

reducidos al no emplearse herramientas y estar

alineados. Cuando se combina con el sistema

de alimentación de abrasivo presurizado se

alcanza un nivel sin igual. Las Soluciones de

Corte Hidroabrasivo de Ingersoll-Rand marcan

una nueva pauta en la producción y precisión

del corte por chorro de agua.

Autoline™

Materiales / Velocidades en el Corte Hidro-abrasivo (Ejemplos)

Material Espesor Velocidad

Acero inoxidable 10 (0.4) 90 (3.5)40 (1.6) 18 (0.7)

Titanio 10 (0.4) 100 (4.0)40 (1.6) 20 (0.8)

Aluminio 10 (0.4) 260 (10.2)40 (1.6) 50 (2.0)

Marmol 10 (0.4) 630 (24.8)40 (1.6) 130 (5.1)

Granito 10 (0.4) 540 (21.2)40 (1.6) 110 (4.3)

Vidrio 10 (0.4) 430 (16.9)40 (1.6) 90 (3.5)

Uds: mm (inch) mm/min(inch/min)

Servicio mundial Ingersoll-Rand

Ingersoll-Rand es mundialmente reconocida

y apreciada como la pionera en la tecnología

de corte por chorro de agua. Una dilatada

experiencia de muchos años que lleva em-

parejad la calidad de sus productos hacen

de Ingersoll-Rand el socio tecnológico ideal

para procesos de corte en frío. Ingersoll-Rand

proporciona así la ayuda necesaria para

encontrar la solución adecuada y la perfecta

integración del corte por chorro de agua

Incluso en procesos de fabricación ya exis-

tentes. Los clientes de Ingersoll-Rand están

asistidos por una red de mundial de servicio y

fabricación. Ingersoll-Rand está plenamente

comprometido en el soporte de todos sus

clientes, sin que importe el lugar en que se

solicite ni el tipo de requerimiento de la

aplicación. Para más información de nuestros

productos por favor visite nuestra página web

abajo citada.

Configuraciones estandar boquilla

Modelo No. Orificio Focalizadorø ø

AN-0721 0.17 (0.007) 0.54 (0.021)

AN-1030 0.25 (0.010) 0.76 (0.030)

AN-1243 0.30 (0.012) 0,90 (0.035)

AN-1443 0.35 (0.014) 1.10 (0.043)

Uds: mm (inch)

Cuerpo de Boquilla

Adaptador/GuiaManguera de Abrasivo

Orificio de Diamante

Tornillo FijaciónCamar de Mezcla

Tornillo FijaciónTabera de Focalización

Cartucho de Cambio Rápido

Camar de MezclaLarga Vida

Tabera de FocalizaciónLarga Vida

Su socio para

D, F, CH, A, TR, GR, CY, Benelux, Escandinavia,

Tailandia y China

Ingersoll-Rand

Wasserstrahl-Schneidetechnik GmbH

Auf der Laukert 11

D-61231 Bad Nauheim

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con Alemania (oficina central de Europa)

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España (Coslada / Madrid) Su socio para E, P y Oriente Medio

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Polonia (Varsovia) Su socio para PL, SK, CZ, HU, CIS, BG, R, MK, Estados Balticos y antigua Yugoslavia

Tel.: +48 (0) 226357245, Fax.: +48 (0) 226357332

Italia (Vignate / Milan) Su socio para I

Tel.: +39 02 95056-457, Fax.: +39 02 95056-310

India (Mumbai) Su socio para IND, BD y Sri Lanka

Tel.: +91 (0) 225698 90 22, Fax.: +91 (0) 2256946926

Documents

Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánicarepositorios.unimet.edu.ve/docs/30/TJ146B73O8.pdf · Al Profesor Emil Friedman por guiarnos en nuestros primeros pasos. Al