Universidad De Antioquia - DANIEL ALBERTO ZULUAGA …bibliotecadigital.udea.edu.co/bitstream/10495/12231/1/... · 2020. 1. 22. · FACULTAD DE INGENIERÍA MEDELLÍN 2019. 2 ... 11.2

MÁQUINA DOBLADORA DE TUBOS 1 ½”

DANIEL ALBERTO ZULUAGA BERMÚDEZ

ASESOR INTERNO:

PhD. RICARDO MORENO SANCHEZ

ASESOR EXTERNO:

ING. SAMUEL BURITICÁ SALDARRIAGA

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

MEDELLÍN

2019

2

Índice temático

Índice temático 2

Índice de ilustraciones 5

Índice de tablas 6

1. Introducción 7

2. Objetivos 8

2.1. Objetivo general 8

2.2. Objetivos específicos 8

3. Descripción general del problema 9

4. Estado del arte 10

4.1. Generalidades sobre el doblez y su procesamiento 10

4.1.1. El doblado 10

4.1.2. Proceso de doblado 10

4.2. Mecanismos para el doblado 11

4.2.1. Doblado manual, con pistón o prensado 11

4.2.2. Doblado con rodillos 12

4.2.3. Doblado por compresión. 13

4.2.4. Doblado giratorio por arrastre. 13

4.3. Resistencia mecánica de los tubos 14

4.4. Normatividad 16

4.5. Máquinas dobladoras de tubo disponibles en el mercado 17

4.5.1. Dobladora de tubos manuales CONDUIT 17

4.5.1.1 Dobladora de tubos manual JD2 modelo 3 18

4.5.2. Dobladora de tubos hidráulica 18

4.5.2.1 Dobladora de tubos hidráulica JD2 Modelo 4. 20

4.5.2.2 Dobladora de tubos hidráulica GARDNER BENDER. 20

5. Definición de parámetros 21

6. Propuestas de diseño. 22

6.1. Máquina dobladora lineal industrial importada 22

6.3. Máquina dobladora industrial CNC 23

6.2. Máquina dobladora lineal industrial fabricada (PROPUESTA) 23

7. Propuesta para la máquina dobladora. 24

3

8. Selección cuantitativa. 24

8.1. Porcentaje de importancia para cada parámetro 25

8.2. Calificación de la máquina dobladora lineal industrial importada 25

8.3. Calificación de la máquina dobladora industrial fabricada 26

8.4. Calificación de la máquina dobladora industrial CNC 26

8.5. Selección 26

9. Proceso de fabricación y cálculo de los elementos de máquina. 27

9.1 Calculo de la fuerza necesaria para doblar los perfiles circulares. 27

9.2 Calculo de la velocidad necesaria para doblar los perfiles circulares. 29

9.3 Diseño y selección del sistema de transmisión por cadena. 31

9.3.1 Factor de servicio 31

9.3.2 Potencia de selección. 31

9.3.3 Distancia entre centros recomendada. 32

9.3.4 Parámetros de entrada al software y resultados. 33

9.3.5 Chequeos. 35

9.3.6 Cálculo de las dimensiones del Sprocket. 36

9.4 Cálculo del sistema hidráulico de la máquina dobladora. 37

9.4.1 Selección diámetro de las tuberías. 38

9.4.1.1 Línea de succión. 39

9.4.1.2 Línea de presión. 39

9.4.1.3 Línea de descarga. 39

9.4.1.4 Tubería seleccionada. 40

9.4.2 Perdidas. 40

9.4.3 Aceite seleccionado. 41

9.4.4 Selección de las válvulas de control, de alivio, filtros. 42

9.4.4 1Selección de la válvula direccional. 42

9.4.4 2 Selección de la válvula de alivio. 43

9.4.4 3 Selección Filtro. 44

9.4.5 Selección otros accesorios. 45

9.4.5.1 Manómetro. 45

9.4.6 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento hidráulico. 45

9.5 Cálculos y diseño del eje de la máquina dobladora 46

9.5.1 cálculo de fuerzas para el eje 46

4

9.5.2 Cálculo pesos. 46

9.5.3 Masa del sprocket piñón. 46

9.5.4 Geometría del eje 47

9.5.5 Geometría seleccionada para el eje. 48

9.5.6 Chequeos diámetros: 48

9.5.7 Redondeos: 48

9.5.8 Diseño y cálculo del eje por deformación y rigidez. 49

9.5.9 Análisis de rigidez torsional 51

9.5.10 Análisis de rigidez lateral: 51

9.5.11 Análisis de pendiente en rodamiento 52

9.5.12 Diseño y cálculo del eje por esfuerzo y resistencia. 52

9.5.13 Cálculo de rodamientos. 56

9.5.14 Chaveteros. 57

9.5.15. Ajustes para elementos sobre el eje 58

9.5.15.1 Ajustes para la sección del sprocket 58

9.5.15.2 Ajustes en los chaveteros. 58

9.5.15.3 Ajuste para rodamientos. 59

10. Esquema de la red de Petri para la programación de la dobladora en un plc. 59

11. Manual de operación y mantenimiento de la máquina dobladora 60

11.1 Antes de comenzar a utilizar la máquina dobladora de tubería redonda es

importante cerciorarse de: 60

11.2 Suministro de electricidad: 61

11.3 Instrucciones de operación: 61

11.4 Mantenimiento. 61

12. Resultados y análisis 62

13. Conclusiones. 62

14. Bibliografía 63

5

Índice de ilustraciones

Ilustración 1: Productos semi-manufacturados obtenidos por doblado [1]. .............. 10

Ilustración 2: Naturaleza de un doblez metálico [2]. ................................................. 11

Ilustración 3: Doblado con pistón o prensado sistema hidráulico [4], [9]. ................. 12

Ilustración 4: Proceso de doblado con rodillos [5]. ................................................... 12

Ilustración 5: Doblez por compresión [2]. ................................................................. 13

Ilustración 6: Doblez giratorio por arrastre [2]. ......................................................... 13

Ilustración 7: Dobladora de tubos CNC. [10] ............................................................ 14

Ilustración 8: Certificado de calidad tubería de cerramiento. .................................... 15

Ilustración 9: dobladora de tubos manual [11]. ......................................................... 17

Ilustración 10: Dobladora manual JD2 Modelo 3 [12]. .............................................. 18

Ilustración 11: dobladora de tubos hidráulica manual [13]. ...................................... 19

Ilustración 12: Dobladora de tubos de pistón, cadena y cremallera [14]. ................. 19

Ilustración 13: Dobladora hidráulica JD2 Modelo 4 [14]. .......................................... 20

Ilustración 14: Dobladora de tubos hidráulica GARDNER BENDER [14]. ................ 20

Ilustración 15: Propuesta industrial. Huth Benders [14]............................................ 23

Ilustración 16: Propuesta dobladora industrial CNC [10]. ......................................... 23

Ilustración 17: Proceso seleccionado [2]. ................................................................. 27

Ilustración 18: Diagrama de fuerza del perfil tubular [Elaboración propia]. .............. 27

Ilustración 19: Diagrama de cuerpo libre [Elaboración propia]. ................................ 28

Ilustración 20: Factor de servicio de la cadena [15]. ................................................ 31

Ilustración 21: Gráfico de selección de cadena [15]. ................................................ 32

Ilustración 22: Distancia entre centros recomendada [15]. ....................................... 33

Ilustración 23: Datos de entrada en el software [15]. ............................................... 34

Ilustración 24: Características del sprocket [15]. ...................................................... 34

Ilustración 25: Cadena seleccionada y especificaciones [15]. .................................. 35

Ilustración 26: Selección de la S para cadena doble ................................................ 36

Ilustración 27: Selección de bomba hidráulica [25]. ................................................. 38

Ilustración 28: Curva característica de la bomba [25]. ............................................. 38

Ilustración 29: Velocidades en las tuberías recomendadas [20]. ............................. 39

Ilustración 30: Diámetro de tubería seleccionada [21]. ............................................. 40

Ilustración 31: Curva de eficiencia para el cálculo del motor [25]. ............................ 41

Ilustración 32. Aceite hidráulico seleccionado. ......................................................... 42

Ilustración 33: Selección válvula 4/3 para accionar los cilindros [22]. ...................... 42

Ilustración 34: Características válvula direccional 4/3 seleccionada [22]. ................ 43

Ilustración 35: Tipos de válvula de alivio [23] ........................................................... 43

Ilustración 36: Dimensiones de válvula de alivio [22]. .............................................. 44

Ilustración 37. Selección filtro [24]. ........................................................................... 44

Ilustración 38: Selección manómetro [25]. ............................................................... 45

Ilustración 39. Masa de la del sprocket piñón. ......................................................... 46

Ilustración 40. Esquema del eje calculado ............................................................... 47

Ilustración 41: Material seleccionado. ...................................................................... 49

6

Ilustración 42: Esquema introducido en Solid Edge ................................................. 49

Ilustración 43: Cargas en la sección del sprocket .................................................... 50

Ilustración 44: Cargas en la sección del sprocket. ................................................... 50

Ilustración 45: Resultados entregados por el software Solid Edge .......................... 51

Ilustración 46: Deflexión en el eje. ........................................................................... 52

Ilustración 47: Esquema final y cargas en el eje calculadas por AutoCAD .............. 52

Ilustración 48: Propiedades mecánicas del acero seleccionado [26]. ...................... 53

Ilustración 49. Propiedades del acero por Shigley e ingresadas en el AutoCAD. .... 53

Ilustración 50: Gráfica de máximo esfuerzo de Von Misses. .................................... 54

Ilustración 51: Resultados AutoCAD. ....................................................................... 55

Ilustración 52. Factor de seguridad .......................................................................... 55

Ilustración 53: Resultados para el cálculo de rodamientos. ..................................... 56

Ilustración 54: Medidas de chavetero sección 1, soporte mandril formador. ............ 57

Ilustración 55: Medidas de chavetero sección 4, soporte sprocket. ......................... 57

Ilustración 56: Ajuste agujero del sprocket ............................................................... 58

Ilustración 57: Ajuste para el chavetero del sprocket. .............................................. 58

Ilustración 58: Ajuste para rodamientos. .................................................................. 59

Índice de tablas

Tabla 1: Dimensiones comerciales de la tubería negra............................................ 14

Tabla 2: Valores del proceso de doblado pagados de manera externa por FECON

SAS. ......................................................................................................................... 24

Tabla 3: Valores cuantitativos para los parámetros. ................................................ 25

Tabla 4: Porcentajes de peso en importancia para cada parámetro de diseño. ....... 25

Tabla 5: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora lineal industrial. ............. 25

Tabla 6: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora lineal industrial fabricada.

................................................................................................................................. 26

Tabla 7: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora industrial CNC. ............. 26

Tabla 8: Cálculos de módulo de sección. ................................................................. 28

Tabla 9: Cálculos de momento. ................................................................................ 29

Tabla 10: Valores de entrada al software RENOLD CHAIN SELECTOR................. 33

Tabla 11: Medidas Calculadas para el sprocket. ...................................................... 36

Tabla 12: Datos preliminares de diámetros de eje. .................................................. 47

Tabla 13: Diámetros y longitudes seleccionadas. .................................................... 48

Tabla 14: Comparación de resultados entre Solid Edge y AutoCAD. ...................... 54

7

1. Introducción

La empresa FECON SAS. se dedica a brindar servicios de fabricación, venta,

comercialización y mantenimiento de equipos para la construcción y la

agroindustria, esta empresa se encuentra ubicada en la ciudad de Bello-

Antioquia, como empresa está comprometida con los procesos de mejora

continua y adaptación de sus equipos, es reconocida en el mercado nacional por

quienes día a día requieren para sus obras y su labor, seguridad, durabilidad,

confiabilidad y el respaldo técnico idóneo.

Por ello, debido a la demanda presente en la empresa y a la implementación del

nuevo sector económico para la empresa llamado FECON Agro, se ha

observado un aumento y una necesidad de elementos para la fabricación de

estructuras en tubería doblada, ya que en estos momentos se encuentran

realizando estas estructuras con secciones cortadas y colilladas a 30 y 45

grados, o secciones en U, generando procesos adicionales de mecanizado y

soldadura, además, aumentando los tiempos y costos de los procedimientos, por

esta razón se busca mediante la implementación de este proyecto obtener los

diseños y cálculos de los materiales necesarios para una máquina dobladora de

tubos que pueda suplir esta necesidad.

Inicialmente para cubrir la necesidad de la línea agro, la máquina debe

garantizar procesos repetibles y constantes para mejorar la productividad del

proceso, la demanda de esta línea esta inicialmente en 200 unidades repartidas

entre los diferentes tamaños de tubo que maneja la empresa, pero esto va a

estar en aumento rápidamente debido a posibles mejoras de la línea de

construcción y posiblemente una implementación de procesos tercerizados

gracias al uso de mejores tecnologías, para ello con esta propuesta se busca dar

una alternativa de diseño, que de ser aprobadas también serian determinantes a

la hora de adquirir nuevas licencias y así poder adoptar dichos planos y diseños

8

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Diseño y cálculo de una máquina dobladora de tubos de hasta 1 ½” necesaria para

los procesos de producción en la línea Agro para la empresa FECON SAS.

2.2. Objetivos específicos

Realizar un estudio del estado del arte de las máquinas dobladoras de tubos que contenga mínimo 10 referencias.

Realizar los cálculos de resistencia de materiales de los elementos críticos que conforman la máquina.

Seleccionar los materiales para los elementos que conforman la máquina.

Realizar diseños y planos de montaje para la producción de la máquina dobladora de tubos.

Elaborar el instructivo para el proceso de doblado de los diferentes diámetros de ductos.

9

3. Descripción general del problema

Al iniciar el proceso de practica en la empresa FECON SAS se requiere mejorar y

agilizar el proceso de la línea agro de la empresa mediante un proceso de doblado

de tubo ya que en estos momentos para la fabricación de algunas de sus máquinas

se deben realizar procesos adicionales de corte y soldadura, además, como es un

proceso realizado en tubo redondo el proceso de corte y posterior unión a escuadra

se hace difícil ya que no siempre se puede generar esta unión de manera correcta

debido al perfil del tubo.

Por esto, la empresa en su línea agro desea adquirir una nueva máquina que facilite y elimine tanta demora en el proceso. La alternativa que más se acomoda al requerimiento de las máquinas es realizar las piezas en tubería doblada que elimine el proceso de cortar y soldar y que entregue productos terminados para acortar los tiempos de entrega y permita un mejor acabado y más facilidad para el ensamble, además, en esta línea se ha venido observando un crecimiento significativo en cuanto a nuevos productos de innovación que a la hora de ser fabricados sería mucho más conveniente por medio de procesos de doblez. Con esto, se procede a generar una discusión de posibles máquinas que puedan suplir esta necesidad, teniendo como alternativa una que pueda ser fabricada por FECON SAS ya que, al ser una empresa con toda la capacidad de fabricación, tendría un proceso mucho más controlado ya que estos diseños pueden ser variados y usados siempre en busca de un mayor beneficio para ellos. Con la información proporcionada por la empresa (tiempos, valores, necesidades), se procede a implementar una alternativa de diseño con una máquina hidráulica que permita realizar el proceso de doblado de manera fácil y sobre todo que sea un proceso altamente repetible, ya que de esto depende la calidad de los productos que debe entregar la compañía. Para este diseño se realizan cálculos de resistencia tanto de la máquina como de los perfiles tubulares ya que la máquina debe estar en la capacidad de superar el límite de fluencia de los materiales a procesar, por otro lado, se realiza la selección de elementos indispensables para su funcionamiento y además, a la empresa se le entrega un instructivo de mantenimiento, diagramas para su automatización, planos de ensamble y de piezas importantes para su fabricación, pero por solicitud de la empresa estos planos quedaran reservados solo para su uso.

10

4. Estado del arte

El estado de arte realizado para la elaboración del trabajo, necesario para

implementar un diseño que satisfaga el problema afrontado, se relaciona, y

describe, con toda su información a continuación.

4.1. Generalidades sobre el doblez y su procesamiento

A continuación, se presentan conocimientos básicos sobre el doblez de tubos, y el

manejo que se le da en la industria para su producción.

4.1.1. El doblado

Es un proceso de conformado que consiste en superar el punto de deformación

plástica de material para realizar una deformación permanente a un perfil

determinado. La conformación tiene lugar sin pérdida de material, es decir, no se

producen separación y conserva la integridad del material. Normalmente para esta

operación se utilizan tubos de sección circular, aunque también es posible doblar

perfiles rectangulares, cuadrados, solidos o extruidos para adecuarse a las

especificaciones del trabajo.

Ilustración 1: Productos semi-manufacturados obtenidos por doblado [1].

4.1.2. Proceso de doblado

Es un proceso aplicado a diversos materiales con el fin de lograr un tipo de

geometría determinada sin necesidad de un proceso adicional de corte y unión, para

este caso al ser perfiles metálicos se logra al aplicarle al material de superficie recta

un esfuerzo superior al límite elástico, en una dirección diferente al eje neutral del

elemento, generando así una deformación permanente en el material y de ser bien

aplicado el esfuerzo, se observa uniformidad y buen acabado en los elementos

conformados.

11

Ilustración 2: Naturaleza de un doblez metálico [2].

Sin embargo, al aplicar un esfuerzo superior al límite elástico del material, se

presenta cierta cantidad de recuperación elástica, teniendo como resultado un

ángulo menor al programado o esperado en dicho proceso, este retroceso es mayor

a medida en que los radios de curvatura son más pequeños, los perfiles metálicos

usados son más gruesos, ángulos de doblez más grandes o materiales más

endurecidos.

A la hora de deformar el metal en frio la fuerza se incrementa, esto debido a que la

dureza del material aumenta, sin embargo, a la hora de aplicar un diseño para este

tipo de procesos se debe tener especial cuidados con velocidades y fuerzas

aplicadas ya que no se puede superar el esfuerzo de ruptura del material por que

puede generar daños y una disminución considerable de sus propiedades

mecánicas.

4.2. Mecanismos para el doblado

4.2.1. Doblado manual, con pistón o prensado

Es uno de los procesos más antiguos usados para realizar dicho proceso de

conformado en los materiales, en especial en chapas metálicas ya que empleaban

toda la fuerza de manera manual usando palancas o elementos que permitieran

incrementar la fuerza y así poder obtener un doblado, que para este entonces no

era tan preciso y obtenían errores ya que no se realizaba de manera continua, era

difícil de repetir y el acabado era burdo, por otro lado se implementó el sistema de

pistón hidráulico que permitía mediante unos pivotes generar un doblez gracias a un

cabezal que presiona el perfil a doblar, este método, aunque brinda poco control

sobre el flujo del metal, es muy rápido. Se emplea en aplicaciones donde se utilizan

tubos gruesos, perfiles laminados o extruidos, siempre que se permita alguna

distorsión en la sección de la pieza de trabajo y que sea importante tener una rápida

producción. Con las máquinas disponibles en la actualidad, el doblado por prensado

con cabeza se aplica a tuberías de 10 a 350 mm de diámetro. Este método funciona

con dobleces de hasta 165°, además, se pueden doblar perfiles de pared

extremadamente gruesa.

12

Ilustración 3: Doblado con pistón o prensado sistema hidráulico [4], [9].

4.2.2. Doblado con rodillos

El doblado por rodillos se usa típicamente para doblar radios grandes. El tubo se

pasa a través de tres rodillos configurados en una pirámide, y los rodillos aplican

cantidades variables de presión para formar el radio de línea central deseado.

Aunque los rodillos necesitan coincidir con el diámetro exterior de la pieza de

trabajo, no necesitan conformarse al radio deseado como un dado de doblez.

Este método es ideal para dobleces de radio grande, rollos y curvas de radio

grande. Para todas estas aplicaciones, sería impráctico o simplemente imposible

construir un dado de doblez grande para otros métodos de doblado. El doblado con

rodillos puede ser mejor si las partes requieren sólo radios grandes. De manera

alternativa, si la parte requiere un radio de línea central menor a 8 veces el diámetro

exterior del tubo, el doblado con rodillos no es la opción adecuada.

Ilustración 4: Proceso de doblado con rodillos [5].

13

4.2.3. Doblado por compresión.

Se utiliza un rodillo o matriz para doblar la pieza alrededor de una matriz de doblado

estacionaria con la ayuda de un bloque o un rodillo seguidor. Hay algo más de

fuerza de compresión que elongación sobre la pieza de trabajo (aun cuando haya

elongación sobre la parte exterior del doblez), y el nombre del método se deriva de

este hecho. La figura (5) muestra un diagrama del proceso.

Ilustración 5: Doblez por compresión [2].

4.2.4. Doblado giratorio por arrastre.

Para trabajos de precisión, similar al doblez por compresión, pero ahora el dado gira

halando la pieza de trabajo por una matriz de presión, el curvado rotatorio domina el

mercado del doblado de tubos, especialmente para radios pequeños. Este proceso

proporciona mayor control sobre el grosor de las paredes y la curvatura, ya que se

suele utilizar un mandril en el interior y herramientas de precisión en el exterior.

Ilustración 6: Doblez giratorio por arrastre [2].

Los dobleces por arrastre se hacen cuando las necesidades dimensionales son

estrictas (por ejemplo, en la industria aeronáutica) o cuando se requieren dobleces

muy cerrados de tubos de pared delgada. Aunque se pueden lograr radios de

doblado iguales al diámetro del tubo, éstos requieren un cuidado extraordinario, un

mandril interno de perfecto ajuste, así como zapatas y matrices exteriores. El

doblado por arrastre es más común que el doblado por compresión cuando se

emplea equipo motriz. Pueden hacerse dobleces de hasta 180º [2].

Este proceso, al igual que la mayoría de los procesos de conformado, puede ser

llevado a cabo en frio y en caliente, con las ventajas y desventajas características

de cada tipo de operación.

14

En la actualidad se dispone de máquinas dobladoras de tubo que varían desde

tamaños pequeños de banco o con trípode, operados manualmente o a pedal, hasta

sofisticada maquinaria industrial completamente automatizada que cuenta con

control CNC [6].

Estas máquinas CNC se han convertido en las máquinas más utilizadas por los

procesos automáticos ya que solo necesitan un proceso anterior de alimentación de

material y genera una cadena de producción continua.

Ilustración 7: Dobladora de tubos CNC. [10]

4.3. Resistencia mecánica de los tubos

De acuerdo con el proveedor de materia prima de la compañía, los tubos negros de

cualquier dimensión suministrada cumplen con la norma ASTM A 500 adjudicada

para los perfiles grado c y grado b con los cuales la empresa FECON SAS realiza el

diseño y posterior fabricación de equipos tanto de la línea agro como la línea

enfocada en la construcción.

Para el presente diseño es necesario contar con los datos de resistencia otorgados

por el fabricante para poder generar una solución lo más precisa y acorde con los

requerimientos de la planta.

El tipo de tubería utilizada por la empresa FECON SAS para la línea agro es la

siguiente junto con su propiedad mecánica de acuerdo con los datos obtenidos en

las pruebas de resistencia

Clasificación de la tubería Dimensión exterior e interior

Tubo negro de 3/4” 26.7 – 21.7

Tubo negro de 1” 33.4 – 28.4

Tubo negro de 1 ¼” 42.2 – 37.2

Tubo negro de 1 ½” 48.3 – 43.3

Tabla 1: Dimensiones comerciales de la tubería negra.

15

La empresa FECON SAS al realizar la compra de su materia prima recibe un anexo

que consta de certificados de calidad proporcionados por la empresa Ternium

Colombia SAS donde presenta los resultados de aceptación o de rechazo de un

material, esta empresa realiza los análisis de acuerdo con una adopción propia de la

norma ASTM A500 que nombran norma interna TER1560, entregando así

elementos de muy buena calidad y garantizando resistencias en sus productos.

En la siguiente ilustración se observa el certificado entregado por Ternium a FECON

SAS de su materia prima:

Ilustración 8: Certificado de calidad tubería de cerramiento.

16

De este certificado se obtiene un promedio de los valores de resistencia que serán

usados para la definición de la máquina ya que de la resistencia del material

depende la potencia requerida en la máquina.

4.4. Normatividad

Para el diseño es necesario tener en cuenta la normatividad que acoge la actividad

planteada para la máquina diseñada, debido a que a partir de estas normas se

establecen parámetros que permiten procesar de una mejor manera el producto y

garantizar en este caso que el procesamiento de los tubos esté en el marco legal de

la comercialización. En cuanto a producción, comercialización y distribución de

tubos doblados y aptos para el consumo industrial en Colombia, se cuenta con

varias normas dictadas por comités internacionales como la ISO, ASTM,

AISI/ASME, y entidades nacionales como Ecopetrol que genera algunas guías para

seguir ya que este incursiona demasiado en este tipo de procesos

a) ISO 8491. Materiales metálicos, tubos de sección circular completa,

ensayos de curvado. Esta norma internacional especifica un método

para determinar la aptitud a la deformación plástica por curvado de un

tubo metálico de sección circular completa. Es aplicable a los tubos de

diámetro exterior no superior a 65 mm, si bien la gama de diámetros

exteriores a la que se aplica esta norma puede estar definida de forma

más explícita en la norma correspondiente del producto [16].

b) ASME B31.4 Tuberías de trasporte de hidrocarburos líquidos y otros

líquidos [17].

c) NTC 1560, Tubos de acero laminados en caliente, soldados por

resistencia eléctrica para uso general [18].

d) NTC 3353, Definiciones y métodos para los ensayos mecánicos de

productos de acero (ASTM A370) [18].

e) NTC 3470, Tubos de acero soldados y sin costura, negros y recubiertos

de zinc por inmersión en caliente (ASTM A53/A53M) [18].

f) NTC 4526, Tubería estructural de aceros al carbono formada en frio,

con y sin costura, redonda y de otras formas [18].

g) ASTM A500/A500M, Especificación Normalizada para Tubos

Estructurales de Acero al Carbono Conformados en Frío,

Electrosoldados y sin Costura, de forma Circular y no Circular [17].

17

4.5. Máquinas dobladoras de tubo disponibles en el mercado

En esta sección se presentan las máquinas que se encuentran en el mercado

actualmente, que realizan el proceso de doblado de tubos. La consulta realizada

sobre estas máquinas será de gran ayuda en el planteamiento del diseño, que se

propone para dar la solución a la situación planteada.

4.5.1. Dobladora de tubos manuales CONDUIT

La línea de dobladores de tubo Conduit de Klein Tools ha sido diseñada para un

rendimiento y durabilidad que supera las expectativas de los profesionales de hoy

en día. Se recomienda familiarizarse con los conceptos de dobleces, técnicas y

aprender la funcionalidad del doblador para proporcionarle una experiencia positiva,

mejorando en gran medida el resultado general de su proyecto.

Los dobladores vienen en dos tipos, EMT y Conduit rígido y se pueden encontrar en

varios tamaños. Klein Tools proporciona dobladores de Conduit para EMT en ½”,

¾”, 1” y Conduit en 1‐¼” y Conduit rígido en ½”, ¾”, y 1”.

Para ayudar a doblar cuando se realiza una curvatura terrestre o aérea, los

dobladores son marcados con diferentes símbolos de alineación para ayudar al

operador a crear las curvas necesarias para llevar a cabo cualquier proyecto.

Los símbolos que aparecen en los dobladores Klein Tools son la flecha, la gota,

la estrella y escalas en grados. Estas marcas se encuentran en distintas partes de la

cabeza del doblador. [11]

Ilustración 9: dobladora de tubos manual [11].

Con esta marca se hace referencia a el tipo de máquinas dobladoras manuales que

cuentan con características similares. La principal ventaja con la que cuenta esta

máquina es el espacio tan pequeño que necesita para su instalación, pero debido a

que solo cuenta con una ayuda de palanca mecánica puede generar un proceso

lento si se necesita una alta productividad por lo que se requerirían varias secciones

de máquinas además de la poca exactitud que puede tener para repetir los

procesos.

18

4.5.1.1 Dobladora de tubos manual JD2 modelo 3

La dobladora posee una capacidad máxima para doblar tubería de hasta 2 pulgadas

y puede ser usada o dispuesta de manera hidráulica o mecánica para doblar tubos

redondos o cuadrados hasta los 180°.

Es de fácil operación y poco mantenimiento.

Ilustración 10: Dobladora manual JD2 Modelo 3 [12].

4.5.2. Dobladora de tubos hidráulica

Versión de accionamiento manual

Las dobladoras de accionamiento manual son ideales para doblar con precisión y en

frío tubos estándar de gas de hasta 3". Dobladoras versátiles y portátiles, ideales

para doblar en la obra, así como en construcción de maquinaria, fabricación de

calderas y aplicaciones industriales.

Sus duraderas juntas de pistón impiden fugas prematuras y maximizan el

tiempo de funcionamiento.

Una carrera más larga del cilindro de la bomba y la optimización de la fuerza

manual reducen la fatiga del usuario.

Los indicadores de ángulos de doblado reducen la necesidad de arranques,

paradas y extracciones de tubos para tomar medidas.

Sistema hidráulico de circuito único con resorte de retorno para un mejor

control del ariete y para lograr doblamientos precisos.

La válvula de desahogo protege el sistema hidráulico contra la sobre presión.

Se suministra en una caja de madera e incluye un juego de formadores de

doblamiento para tubos de gas estándar y soportes de esquina [13].

19

Ilustración 11: dobladora de tubos hidráulica manual [13].

Con esta marca se hace referencia a el tipo de máquinas dobladoras hidráulicas

manuales que cuentan con características similares. La principal ventaja con la que

cuenta esta máquina es el espacio tan pequeño que necesita para su instalación,

versatilidad y gran fuerza de doblado, pero debido a que es manual puede generar

un proceso lento si se necesita una alta productividad por lo que se requerirían

varias secciones de máquinas además de la limitación de curvas y la calidad del

acabado del proceso

Con bomba

Las dobladoras hidráulicas con bomba cuentan con un gran beneficio para los

operarios ya que solo requieren un accionamiento para realizar el trabajo deseado,

no requieren de esfuerzo por parte del operario, solo programación y preparación

del material a procesar, pueden ser usadas en diferentes configuraciones y

combinaciones de sistemas mecánicos para lograr los objetivos del conformado del

material.

Este tipo de dobladoras cuenta con las siguientes opciones de accionamiento:

Palanca y pistón.

Reductor de velocidad

Cremallera

Palanca múltiple

Ilustración 12: Dobladora de tubos de pistón, cadena y cremallera [14].

20

4.5.2.1 Dobladora de tubos hidráulica JD2 Modelo 4.

La dobladora JD2 es una máquina hidráulica de fácil montaje y operación, que

cuenta con un sistema de auto bloqueo que previene que el material se devuelva.

Los cambios de dado se pueden realizar de manera rápida.

La capacidad de doblado para tubo redondo es hasta 2 ½” a 2.5 mm de espesor,

para tubo cuadrado hasta 1 ½”, para tubería Schedule 40 de hasta 2” y Schedule 80

de hasta 1 ½”.

Ilustración 13: Dobladora hidráulica JD2 Modelo 4 [14].

4.5.2.2 Dobladora de tubos hidráulica GARDNER BENDER.

La dobladora viene con dados que permiten realizar dobleces de 120° y 240°,

cuenta con una construcción en bujes de aluminio y bronce en los puntos de giro y

buen acabado superficial, ha sido constituida para trabajo industrial, pero en versión

económica, su capacidad de doblado de tubo redondo es de hasta 2 ½”, tubo

cuadrado de hasta 2” y tubería Schedule 40 de 2”.

Ilustración 14: Dobladora de tubos hidráulica GARDNER BENDER [14].

21

5. Definición de parámetros

En la definición de parámetros se establecerán una serie de factores que afectan el

proceso de forma cuantitativa para determinar la importancia de cada parámetro

dentro del sistema y con ello seleccionar la alternativa que proporcione un mayor

número de puntos a favor.

● Espacio de montaje: El espacio de montaje para la máquina es de

aproximadamente 2,5 metros a la redonda, donde debe de sobrar un espacio

de al menos 10 metros cuadrados para el almacenamiento de los tubos ya

clasificados y listos para procesar.

● Producción: La máquina debe de cumplir con al menos 200 doblez por día

con fluctuaciones en la producción que pueden alcanzar el 20% por encima

de lo normal, Además, esta producción se encuentra limitada por la jornada

laboral de los empleados a cargo del proceso, ya que estos laboran 8 horas

al día y deben de cumplir con dicha meta para los días de máxima

producción.

● Empleados y manufactura: La máquina actual permite el trabajo de una

sola persona, limitada por el tamaño del tubo que puede procesar ya que la

capacidad que posee no es la necesaria para cumplir con el tipo de proceso

que requiere la línea agro de la empresa, por esta razón se encuentra

realizando en estos momentos cortes y posterior soldadura para cumplir con

los requerimientos.

● Fabricación: La fabricación es un parámetro importante en la selección de la

máquina del proceso, ya que esta determina en definitiva la viabilidad del

proyecto, debido a que la complejidad de la fabricación se traduce en costos,

y comercialmente existen diferentes alternativas que rondan con precios

desde 9 millones de pesos hasta 40 millones, cumpliendo de igual forma con

el proceso y proponiendo mejoras a este. Los materiales, procesos,

procedimientos y tiempos hacen parte fundamental del diseño de una

máquina, puesto que estos deben de ser lo más ajustados posibles con el fin

de cumplir con el propósito de diseño, por lo que se hace inviable fabricar una

máquina con materiales rudimentarios, procesos no convencionales, tiempos

de fabricación exorbitantes, procedimientos complejos y partes costosas e

inusuales al comercio.

● Precisión doblez: La precisión de la máquina en todos sus procesos afecta

de manera directa a la producción, ya que, en esta, cae en gran medida el

factor económico y se pueden presentar pérdidas por procesamiento en el

momento de realizar el doblez, se puede presentar ruptura del tubo o venta

de productos con mala calidad y poca repetibilidad. Actualmente el proceso

22

presenta entre 20% y 50% de tubos dañados ya que el doblez no se realiza

de manera correcta esto se debe a que la máquina actual no fue diseñada

para realizar este proceso, se puede implementar de mejor manera para

mejorar la eficiencia y realizando un análisis de las fuerzas involucradas en el

proceso para la elección adecuada de los elementos de la máquina.

● Facilidad de mantenimiento: La facilidad de mantenimiento permite

mantener altos niveles de confiabilidad sobre los activos, por lo que presentar

un proyecto inviable en materia de mantenimiento afectaría de manera

negativa la producción. Además, en su mayoría, las propuestas de máquina

para doblez de tubos, emplean en gran parte sistemas mecánicos,

hidráulicos, o combinación de ambos para realizar el proceso, en algunos

casos hablando de temas de mantenimiento al realizar la compra de los

equipos a proveedores externos, estos no prestan grandes servicio de

posventa por lo que puede sonar más factible realizar un diseño desde cero

para una empresa que se especializa en construcción y distribución de

máquinas, que aunque no sea su línea de enfoque, cuentan con todas las

herramientas necesarias y la capacidad para proporcionar e implementar esta

máquina, y ya que sería un diseño fabricado por la empresa contaría con

todo el acompañamiento por parte de su personal técnico y equipo de

mantenimiento adecuado.

● Montaje: La facilidad de fabricación y montaje es importante en el diseño de

máquinas, debido a que este es un parámetro vinculado con el factor

económico, ya que este puede aumentar de forma considerable el precio de

la obtención de una máquina o de la puesta en marcha, por lo que se debe

de tener en cuenta que la empresa se encuentra en un sector urbano del

municipio de bello con muy buenas facilidades para obtener cualquier

material y además la instalación se facilita ya que sería de fabricación interna.

6. Propuestas de diseño.

A continuación, se presentan las tres alternativas, que se evaluarán posteriormente

de acuerdo con los parámetros de diseño, y se seleccionará la que mejor

puntuación tenga de acuerdo con la ponderación de cada diseño.

6.1. Máquina dobladora lineal industrial importada

Se plantea como una alternativa, dar solución al requerimiento de la empresa

FECON SAS, implementando una máquina dobladora hidráulica programada. Para

la máquina, por su buena comercialización, se tomará como opción la adquisición

de una máquina comercial, en este caso, la más pequeña de todas las planteadas,

la dobladora de tubos huth benders. La máquina se puede ver en la ilustración 15.

23

Ilustración 15: Propuesta industrial. Huth Benders [14].

6.3. Máquina dobladora industrial CNC

Se plantea como opción adquirir una máquina industrial programada por CNC para

la fabricación de cualquier tipo de doblado necesario para la compañía, mejorando

así todo el proceso de producción ya que puede garantizar alto flujo de productos

con una repetibilidad casi completa, poco cuidado por parte de operarios y la

facilidad para obtener una producción en serie

Ilustración 16: Propuesta dobladora industrial CNC [10].

6.2. Máquina dobladora lineal industrial fabricada (PROPUESTA)

Se plantea como una alternativa, dar solución con un diseño implementado para la

empresa generando una máquina que puede ser entregada de acuerdo a los

requerimientos que la empresa posea, tanto de tiempos de doblado, como de radios

y acabados deseados, esta máquina entraría en el tipo industrial ya que sería de

fabricación propia, constitución menos robusta y compleja comparada con la línea

industrial importada, pero con la capacidad de cumplir con casi todos los

requerimientos que trae la línea anteriormente mencionada, esta máquina sería

implementada, calculada y dispuesta de acuerdo con las necesidades de la planta y

fabricada para el fácil funcionamiento por parte de los operarios, sus partes serían

de fácil acceso ya que se podrían fabricar en la planta, razón que la hace más

atractiva comparada con la serie importada.

24

7. Propuesta para la máquina dobladora. Como propuesta de diseño y de acuerdo a los requerimientos de espacio,

mantenimiento, operación y costos se trae como propuesta una máquina dobladora

de tipo compacta accionada mediante un sistema hidráulico y transmisión del torque

necesario para el doblez por medio de un sistema de piñón y cadena, esto con el fin

de generar una máquina que funcione regida por el método de doblez por arrastre,

que para criterios de operación brinda un mejor acabado para las piezas formadas,

una facilidad de repetibilidad alta y la posibilidad de realizar un diseño compacto y

seguro para la empresa.

Este sistema será diseñado y calculado para entregar la producción requerida por la

empresa, además, se entregará un sistema que permita el control de giro y

determinados ángulos para procesar materiales. Con esta propuesta se pretende

abarcar la producción requerida de este determinado proceso para la línea agro de

la compañía, por otro lado, al consultar determinadas facturas del proceso de

doblado que antes se realizaba de manera externa se observaba lo siguiente: Tabla 2: Valores del proceso de doblado pagados de manera externa por FECON SAS.

Tubería Doblez a 45° Doblez a 90° Doblez a 180°

Tubo negro de 3/4” 15320+IVA 18400+IVA 20100+IVA

Tubo negro de 1” 18400+IVA 20100+IVA 25310+IVA

Tubo negro de 1 ¼” 20100+IVA 25310+IVA 34750+IVA

Tubo negro de 1 ½” 25310+IVA 34750+IVA 40230+IVA

Con estos datos suponiendo una producción de tubería del máximo tamaño que

puede procesar la máquina, a doblez de 90° que es lo que más comúnmente se

maneja en la planta y en turnos diarios de 8 horas extrapoladas a 1 año se puede

obtener un ahorro de: 16’680.000+IVA solo en los productos de gran importancia

que se enviaban a fabricar.

Por esta razón, es evidente que este valor puede ser mucho mayor ya que en estos

momentos en la compañía no se fabrican determinados materiales con procesos de

doblado solo porque no se cuenta con la máquina, esto quiere decir que al momento

de adquirirla muchos procesos podrían migrar a este sistema generando mayor

rapidez y un retorno de la inversión más acelerado.

8. Selección cuantitativa.

Para hacer el análisis y selección de alternativas se tomará en cuenta un factor de

ponderación y ciertos parámetros que serán las características más preponderantes

de cada alternativa y que estarán numeradas de acuerdo las necesidades del

presente proyecto, las cuales serán determinantes para la decisión correcta de la

propuesta de diseño. Además, cada parámetro posee un peso de importancia

porcentual, por lo que el cumplimiento en los parámetros más determinantes afecta

en mayor medida el cálculo. La ponderación para la evaluación de los parámetros

se definió en la tabla 4.

25

Tabla 3: Valores cuantitativos para los parámetros.

● Regular: La máquina cumple con el parámetro de forma parcial o ineficiente.

● Bueno: La máquina cumple con el parámetro.

● Excelente: La máquina satisface de forma completa y eficiente con el

parámetro.

8.1. Porcentaje de importancia para cada parámetro

Para cada parámetro se ha definido un porcentaje de peso, de acuerdo con la

importancia que tiene cada uno para el diseño realizado.

Tabla 4: Porcentajes de peso en importancia para cada parámetro de diseño.

Parámetros

Porcentaje

[%]

Montaje 10

Espacio de montaje 10

Producción 20

Empleados y manufactura 8

Precio 12

Precisión en el doblez 15

Facilidad de mantenimiento 10

Facilidad de fabricación 15

100

8.2. Calificación de la máquina dobladora lineal industrial importada

Tabla 5: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora lineal industrial.

Dobladora lineal industrial Calificación [%] NOTA

Montaje 3 10 0,3

Espacio de montaje 3 10 0,3

Producción 7 20 1,4

Empleados y manufactura 7 8 0,56

Precio 5 12 0, 6

Precisión en el doblez 7 15 1,05

Facilidad de mantenimiento 3 10 0,3

Facilidad de fabricación 3 15 0,45

RESULTADO 4,96

26

8.3. Calificación de la máquina dobladora industrial fabricada

Tabla 6: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora lineal industrial fabricada.

Dobladora lineal semi industrial Calificación [%] NOTA

Montaje 7 10 0,7


Producción 5 20 1


Precio 7 12 0,84




RESULTADO 5,58

8.4. Calificación de la máquina dobladora industrial CNC

Tabla 7: Evaluación cuantitativa de la máquina dobladora industrial CNC.

Dobladora industrial CNC Calificación [%] NOTA

Montaje 5 10 0,5


Producción 7 20 1,4


Precio 3 12 0,36




RESULTADO 5

8.5. Selección

De acuerdo con el proceso de evaluación planteado, se determinó que la dobladora

industrial fabricada es la mejor elección de diseño para el problema propuesto, ya

obtuvo un valor de 5,58 con los parámetros requeridos en el proceso de selección y

diseño mientras que las dobladoras de lineal industrial importada y la lineal industrial

CNC, cumplen con tan solo el 4.96 y el 5. Por lo que esta será la propuesta que se

llevará para los análisis posteriores que evaluarán su posible implementación en la

Empresa FECON SAS.

27

9. Proceso de fabricación y cálculo de los elementos de máquina.

Luego de realizar un análisis de los métodos existentes y debido a la calificación

que se obtuvo al detallar entre cada una de las posibilidades, se procede a

implementar y a definir el proceso mediante el cual la máquina que será fabricada

realizará el proceso de doblado a la tubería de la empresa FECON SAS.

Para este caso se define que el proceso a utilizar en el doblez es el método de

doblado por estiramiento, ya que cumple con las necesidades de la compañía y

puede garantizar un cumplimiento a cabalidad de la necesidad con la que cuenta la

empresa, por otro lado, las velocidades de doblado mediante este proceso son

adecuadas y permite tener un proceso controlado y de buena calidad.

El curvado rotatorio domina el mercado del doblado de tubos, especialmente para

radios pequeños. Algo necesario en la empresa ya que las piezas a ser dobladas de

la línea cuentan con radios pequeños y en ángulos de 30°-180°, por eso se elige

esta opción ya que este proceso proporciona mayor control sobre el grosor de las

paredes y la curvatura, esto debido a que se suele utilizar un mandril en el interior y

herramientas de precisión en el exterior.

Ilustración 17: Proceso seleccionado [2].

9.1 Calculo de la fuerza necesaria para doblar los perfiles circulares.

Para realizar el cálculo de la fuerza necesaria y de los elementos que conformaran

la máquina se debe tener en cuenta el análisis de cuerpo libre que será realizado al

perfil tubular. Para este caso se modela como una viga empotrada en uno de sus

extremos, tal como se muestra a continuación.

Ilustración 18: Diagrama de fuerza del perfil tubular [Elaboración

propia].

28

Al realizar el análisis de fuerzas y momentos presentes en el perfil tubular se puede

observar que el tubo experimenta esfuerzos a flexión combinada con carga cortante

en la sección trasversal a lo largo de toda su longitud, además puede notarse que el

esfuerzo es máximo en el extremo donde esta aplicada la fuerza.

Para poder doblar este tubo es necesario aplicar una fuerza tal que genere una

deformación plástica en el material e impida su recuperación, esto realizándolo de la

manera más adecuada posible para evitar daños en la estructura del material como

aplastamientos, fisuras o cualquier otro tipo de inconvenientes que generen un

reproceso de los elementos.

Con la información anterior y partiendo con la base obtenida por el fabricante del

esfuerzo de fluencia de los materiales a procesar se dispone a implementar el

cálculo dicha fuerza necesaria.

La ecuación para el cálculo del esfuerzo a flexión es la siguiente:

𝜎𝑀𝐴𝑋 =𝑀

𝑆

Dónde: 𝑆 =𝜋

32𝑥

(𝐷4−𝑑4)

𝐷, debido a que es un perfil circular hueco.

Al realizar el cálculo de los módulos de sección de la tubería utilizada por la

empresa se obtienen los siguientes valores:

Tabla 8: Cálculos de módulo de sección.

Tubería Diámetro Exterior (m) Diámetro Interior (m) Módulo de sección (S)

Tubo negro de 3/4" 0,0267 0,0217 1,05336E-06

Tubo negro de 1" 0,0334 0,0284 1,74579E-06

Tubo negro de 1 1/4" 0,0422 0,0372 2,92286E-06

Tubo negro de 1 1/2" 0,0483 0,0433 3,91716E-06

Ahora usando el valor proporcionado por la ilustración #8 del certificado de calidad

del acero empleado en la tubería de 1 ½” ya que es la tubería con mayor sección

trasversal, y debido a que todas tienen el mismo espesor, será el perfil con mayor

resistencia, con este valor se obtiene el esfuerzo de fluencia 𝑌𝑝 = 272𝑀𝑃𝑎, con el

Ilustración 19: Diagrama de cuerpo libre [Elaboración propia].

29

cual se procede a calcular el momento máximo que debe proporcionar la máquina

para generar una deformación plástica en los perfiles.

Para este caso se realizará el cálculo de la máquina contando con un factor de 1.5

por encima de la fuerza necesaria, esto con el fin de garantizar un doblez adecuado

y posibles variaciones en la resistencia de los perfiles ya que la empresa en algunas

ocasiones recibe materia prima de otros proveedores los cuales pueden trabajar con

aceros de mejores propiedades, por esta razón la máquina debe de ser capaz de

soportar estos pequeños cambios.

Con esta información se obtiene el momento que debe proporcionar la máquina en

su proceso el cual es calculado a continuación.

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑌𝑝𝑥1.5 = 408 𝑀𝑃𝑎

Ahora calculando el momento.

𝑀 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑥 𝑆 Tabla 9: Cálculos de momento.

Tubería Módulo de sección (m^3) Momento (NM)

Tubo negro de 3/4" 1,05336E-06 429,7690737

Tubo negro de 1" 1,74579E-06 712,2829812

Tubo negro de 1 1/4" 2,92286E-06 1192,526163

Tubo negro de 1 1/2" 3,91716E-06 1598,201117

Al obtener los valores del momento necesario, se debe adicionalmente obtener los

valores de velocidad que serán requeridos para procesar la cantidad de tubos

necesaria pero como parámetro importante de diseño la máquina no debe aplastar

los tubos que procese, esto hace necesario trabajar con velocidades bajas ya que

se debe permitir que el material reacomode su estructura a la hora de realizar las

deformaciones plásticas, con esta información se procede a elegir la velocidad de la

máquina y se aplica el cálculo de la potencia que debe entregar la cadena al

elemento giratorio.

9.2 Calculo de la velocidad necesaria para doblar los perfiles circulares.

Para cumplir con la demanda de la empresa se tiene como tope 200 procesos de

doblez por día normalmente, pero con topes de producción en algunas ocasiones

que alcanzan el 20% adicional, contando con 8 horas laborales y un operario

continuo durante todo el turno.

Para este diseño se planteará la elección de la velocidad para un día de tope de

demanda y contando con una eficiencia del trabajador del 75% contando sus

tiempos de almuerzo, descanso, y demás factores que impiden una mayor

eficiencia, para este caso se tiene lo siguiente:

𝑃𝑑 =𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒

# 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜𝑠=

(8𝑥60)𝑥0.75

240=

360

240= 1.5

𝑚𝑖𝑛

𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

30

Ahora como la empresa realiza procesos de doblado de 180° para algunos perfiles y

esto no debe afectar su proceso de producción se determina dicho proceso como el

máximo para calcular la velocidad ya que como se obtuvo anteriormente se cuenta

con 1.5 minutos para cada doblez de perfil además debido al método implementado

el proceso puede ser realizado de manera más rápida, dando así menores tiempos

de entrega del material y proporcionando más rapidez al proceso.

Con el tiempo calculado anteriormente se observa que se cuenta con 1.5 minutos

para llevar a cabo el doblez del perfil, pero como se ha mencionado, gracias al

método y al espesor del material el conformado se puede realizar de manera más

rápida, realizándose en la tercera parte de este tiempo, teniendo como resultado 30

segundos para realizar un giro de 180 grados, con esta información se procede al

cálculo de la velocidad angular de la máquina.

𝑉𝑑 = 1𝑟𝑒𝑣

𝑚𝑖𝑛𝑥

2𝜋

1𝑟𝑒𝑣𝑥

1𝑚𝑖𝑛

60𝑠=

𝜋

30

𝑟𝑎𝑑

𝑠

Realizando el cálculo de la potencia:

𝑃 = 𝑀𝑤 = 1598.21𝑁𝑚 𝑥 𝜋

30

𝑟𝑎𝑑

𝑠≈ 167.4𝑊

Al observar esta potencia se nota que es baja a pesar del torque necesario para

realizar el doblez de los tubos, esto se debe a la velocidad tan baja que presenta el

proceso, esto puede llevar a mirar varias opciones de diseño del sistema de

transmisión como los engranajes o un moto reductor simplemente que entregue el

torque necesario para realizar dicho proceso.

Para determinar el mejor sistema de transmisión se ha observado entre las

posibilidades obteniendo que un sistema de transmisión por engranajes necesitaría

fabricar una caja reductora y debido a la baja velocidad presentaría inconvenientes

con la toma de posición y con la lubricación del sistema.

Por otro lado, el sistema de reductor fijo en el motor es demasiado costoso ya que

debe ser un reductor demasiado grande que por lo general vienen en motores a

1800 rpm y se necesita 1 rpm de salida del eje a 1600 NM de torque, además,

comercialmente hay muy pocas opciones confiables a las cuales remontarse con

estas especificaciones.

Como otra opción está el sistema de pistones y cadena el cual brinda un control

más preciso del proceso ya que al ser un sistema hidráulico tiene una presión

superior comparada con los procesos anteriores, además, el sistema de

automatización de la máquina se ve beneficiado debido a la facilidad para conocer

la posición de la máquina y generar así un doblez adecuado.

Ahora con el valor obtenido en el cálculo anterior se procede a realizar la selección

de la transmisión necesaria para la máquina, esto con la ayuda del software selector

de cadenas proporcionado de manera gratuita por RENOLD desde su página web.

31

9.3 Diseño y selección del sistema de transmisión por cadena.

Se procede luego a calcular las dimensiones requeridas del sistema de transmisión

por cadena y a seleccionar el conjunto ideal para la aplicación descrita

9.3.1 Factor de servicio

Para encontrar el factor de servicio adecuado se deben tener en cuenta la unidad de

potencia como la máquina que se accionará por medio de cadenas. La ilustración 20

muestra la clasificación del funcionamiento.

Con esta ilustración se selecciona el factor de servicio de la cadena basado en las

características de la máquina y las características del impulsor. Se tiene una bomba

hidráulica y la máquina a mover es una dobladora de tubos, el cual se considera una

máquina de choques leves debido a que tendrá inicios demasiado frecuentes

mediante un motor eléctrico.

El factor de servicio seleccionado es de 1,1.

Ilustración 20: Factor de servicio de la cadena [15].

9.3.2 Potencia de selección.

Conociendo el factor de servicio y la potencia a transmitir por el sprocket, se puede

determinar los kilovatios de selección.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐹1 𝑥 𝐹2 𝑥 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟

32

Con 𝐹2 =19

𝑍1, 𝑐𝑜𝑛 𝑍1 = 17

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 1,1 𝑥 1,12 0,1674 𝑘𝑊 = 0.2062368𝑘𝑊

Teniendo la potencia de selección se puede conocer el paso de la cadena de la

ilustración 21.

9.3.3 Distancia entre centros recomendada.

Para determinar la distancia entre centros provisional, se debe buscar en la imagen

5, el paso de la cadena con base a los kilovatios de selección y la velocidad angular

del Sprocket menor.

Ilustración 21: Gráfico de selección de cadena [15].

33

Al remontarse en la ilustración 21 se observa que cuentan con una recomendación

por parte de la empresa Renold que especifica el método de selección cuando la

velocidad es inferior a 10 rpm. Esta recomendación explica que al tener velocidades

inferiores a 10 rpm se debe multiplicar la potencia transmitida por 10 y leer la

columna de 10 rpm, gracias a esto y con la ilustración anterior se observa que el

paso de la cadena será de 1 ½” (38.1mm)

Ilustración 22: Distancia entre centros recomendada [15].

9.3.4 Parámetros de entrada al software y resultados.

En la siguiente tabla se encuentra los parámetros de entrada exigidos por el

software RENOLD para el cálculo de las posibles cadenas para el sistema de

transmisión que se está desarrollando.

Tabla 10: Valores de entrada al software RENOLD CHAIN SELECTOR.

PARÁMETRO VALOR

Potencia que transmitir 2.062368 kW

RPM Sprocket menor 10 RPM

Distancia entre centros provisional

1350 mm

Relación de transmisión 1

Paso provisional 1 1/2’’

Número dientes Sprocket 17 dientes

Para la selección de dientes, se escoge el mínimo que debe tener el sprocket, es

decir 17. Dado que es una dobladora de tubos, el ambiente es normal y con

34

aplicación en el interior; en cuanto a los demás parámetros, se escogen los

recomendados por el software.

Ilustración 23: Datos de entrada en el software [15].

La cadena calculada por el software es una cadena doble ANSI 120 (ISO 606).

Ilustración 24: Características del sprocket [15].

35

9.3.5 Chequeos.

Para que el sistema opere correctamente se deben cumplir las siguientes

condiciones:

1. 𝑉𝑡 = 0,1𝑚

𝑠 < 10

𝑚

𝑠 CUMPLE.

2. 𝐶𝑝 =𝐶

𝑃=

1352,55

38,1= 35,5

30 ≤ 𝐶𝑝 = 35,5 ≤ 50 CUMPLE.

Ilustración 25: Cadena seleccionada y especificaciones [15].

36

9.3.6 Cálculo de las dimensiones del Sprocket.

A continuación, se presentan las fórmulas y cálculos utilizados para obtener las

dimensiones de los Sprocket de la transmisión por cadena seleccionada.

Ilustración 26: Selección de la S para cadena doble

Tabla 11: Medidas Calculadas para el sprocket.

Sprocket Mayor

Ɵ𝐺 =360°

𝑁𝐺=

360°

17= 21.176°

𝐷𝑝 = 207.35𝑚𝑚

𝑃 = 38,1 𝑚𝑚

𝐷𝑒 = 𝑃 (0,6 + cot (180°

𝑁𝐺)) ;

𝐷𝑒 = 38.1 (0,6 + cot (180°

17)) ;

𝐷𝑒𝑥𝑡 = 226.68 𝑚𝑚.

𝐹 = 0,9𝑃 = 0,9(38,1) = 34,29 𝑚𝑚.

𝐷𝑙 = 𝐷𝑝 − 2𝐹 = 207.35 − 2(34,29);

𝐷𝑙 = 138.77 𝑚𝑚.

𝑅1 = 0,4 ∗ 𝑆1 = 0,4(19) = 7,6 𝑚𝑚.

𝑑 ≈ 120√𝐻

𝑛𝐺

4

≈ 120√2.7625 ℎ𝑝

10 𝑟𝑝𝑚

4

;

𝑑 = 63.071 ≈ 64 𝑚𝑚.

𝐷1 ≥ 1,4𝑑 = 1,4(64) = 89.6𝑚𝑚 ≈ 90𝑚𝑚

𝐿1 = 2,5𝑑

𝐿1 = 2,5(64)

𝐿1 = 160 𝑚𝑚

37

9.4 Cálculo del sistema hidráulico de la máquina dobladora.

Se pide seleccionar la bomba del grupo hidráulico si se requiere que el movimiento

de salida se realice a 𝑉 = 0,011𝑚

𝑠. Los datos del cilindro están indicados en el

esquema hidráulico. Se realizará una consideración para las perdidas, una es en el

filtro de retorno de 0,2 bar, otra en la válvula distribuidora de 0,1 bar, con estos

datos se procede a realizar el respectivo cálculo.

Para el diseño de la máquina se implementan 2 cilindros hidráulicos con las

características indicadas en el esquema posterior, además, se muestra un diseño

preliminar de los elementos que componen el sistema hidráulico.

Inicialmente se calcula la fuerza necesaria para el sistema:

𝑀 = 𝐹𝑥𝐿

𝐹 =𝑀

𝐿, 𝑐𝑜𝑛 𝐿 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑝𝑟𝑜𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑦𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜. 𝐿 =

207,347𝑚𝑚

2= 103,7𝑚𝑚

= 0,1037𝑚

𝐹 =1600𝑁𝑚

0,1037𝑚= 15429.123𝑁

A esta fuerza se le debe adicionar la fuerza necesaria para hacer retroceder el

pistón #2 del sistema. Para cuyo caso se tomarán 300 N de fuerza necesaria.

𝐹𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 15429.123𝑁 + 300𝑁 = 15729.123𝑁

Para el cálculo del sistema hidráulico se debe conocer el caudal requerido por el

cilindro en el momento en que se está realizando el proceso de doblado, esto

debido a que en este instante es donde presenta la mayor necesidad de fuerza.

𝑄 = 𝑉𝑥𝐴2 = 0.011𝑚

𝑠𝑥34.36𝑥10−4 = 3.7796𝑥10−5

𝑚3

𝑠= 2.268

𝑙

𝑚𝑖𝑛

Despreciando las pérdidas de carga, la presión a la que trabaja la bomba durante el

doblado del tubo seria:

𝑃 =𝐹

𝐴2=

15729.123𝑁

34.36𝑥10−4𝑚2= 4577800 𝑃𝑎 = 45.778 𝑏𝑎𝑟

A2= Área lado del vástago

𝐴2 = 34.36𝑐𝑚2

Dint=80mm

dv=45mm

Lc=500mm

38

Para el cálculo del desplazamiento volumétrico de la bomba se realiza la

consideración en cuanto a su giro de 1450 RPM, con esto se realiza el posterior

calculo:

𝐷𝑣 =𝑄 (

𝑙𝑚𝑖𝑛) 𝑥1000

𝑅𝑃𝑀=

2.268𝑙

𝑚𝑖𝑛 𝑥1000

1450= 1.564 𝑐𝑚3

Con esta información se procede con la selección de la bomba de la siguiente

ilustración:

Ilustración 27: Selección de bomba hidráulica [25].

Selección de bomba tamaño nominal NG 2.2, produce 3.2 l/min a 10 bar de presión,

por ello se consulta la curva característica del equipo

Ilustración 28: Curva característica de la bomba [25].

Al observar la gráfica se obtiene un caudal a 45.778 bar de 2.8 l/min

9.4.1 Selección diámetro de las tuberías.

Para el cálculo de las tuberías, se cuenta con la bibliografía del libro de Proyectos y construcción de sistemas hidráulicos [16], donde se recomienda el diámetro interno de la tubería de acuerdo con el caudal de la tubería, y a una velocidad promedio que depende si la línea es de succión, presión o descarga.

39

𝑑𝑖 = 4.607√𝑄

𝑤

Dónde el caudal se ingresa el l/min y la velocidad media en m/s

Ilustración 29: Velocidades en las tuberías recomendadas [20].

9.4.1.1 Línea de succión.

Para la línea de succión el diámetro mínimo de la tubería es el siguiente, de acuerdo con un aceite, que se mostrará posteriormente, con una viscosidad aproximada de 30 cSt, la velocidad es de 1.3 m/s.

𝑑𝑖 = 4.607√2.8

1.3

𝑑𝑖 = 6.76𝑚𝑚

9.4.1.2 Línea de presión.

Para la línea de presión, la presión que generará la carga del sistema será de aproximadamente 50 bar, lo que corresponde a una velocidad media de 3.75 m/s.

𝑑𝑖 = 4.607√2.8

3.75

𝑑𝑖 = 3.98𝑚𝑚

9.4.1.3 Línea de descarga.

Para la línea descarga, la velocidad media estaría entre 1.7 m/s y 4.5 m/s razón por la cual se toma el promedio, el cual equivale a 3.1 m/s

𝑑𝑖 = 4.607√2.8

3.1

𝑑𝑖 = 4.378𝑚𝑚

40

9.4.1.4 Tubería seleccionada.

De acuerdo con los caudales en el sistema, comercialmente se encuentran una tubería de 3/8”, ¼”, ¼”, para la línea de succión, presión y descarga respectivamente, es decir cumplen con todos los diámetros, al ser mayor al calculado, por esta razón las velocidades en las líneas serán más bajas, por lo que se evitan posibles cavitaciones del sistema.

Ilustración 30: Diámetro de tubería seleccionada [21].

9.4.2 Perdidas.

Línea de succión: 𝑣 =𝑄

𝐴𝑇𝑢𝑏=

4𝑥2.8𝑥10−3

𝜋𝑥0.0095252𝑥60= 0.655

𝑚

𝑠

𝑅𝑒 =𝑣 𝐷

𝜐=

0.655𝑥0.009525

30𝑥10−6 = 207.9625

𝑓 =64

𝑅𝑒= 0.3077, 𝑦𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠 𝑢𝑛 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝑅𝑒 < 2300

Δ𝑃 = 𝑓𝐿

𝐷𝜌

𝑣2

2= 0.3077𝑥

3

0.009525𝑥830𝑥

0.6552

2= 17254.98𝑃𝑎 = 0.17255𝑏𝑎𝑟

Línea de presión: 𝑣 =𝑄

𝐴𝑇𝑢𝑏=

4𝑥2.8𝑥10−3

𝜋𝑥0.006352𝑥60= 1.474

𝑚

𝑠

𝑅𝑒 =𝑣 𝐷

𝜐=

1.474𝑥0.00635

30𝑥10−6 = 312

𝑓 =64


Δ𝑃 = 𝑓𝐿

𝐷𝜌

𝑣2

2= 0.2051𝑥

3

0.00635𝑥830𝑥

1.4742

2= 87368.77𝑃𝑎 = 0.873𝑏𝑎𝑟 + 0.1𝑏𝑎𝑟 = 0.973𝑏𝑎𝑟

41

Línea de descarga: 𝑣 =𝑄

𝐴𝑇𝑢𝑏=

4𝑥2.8𝑥10−3

𝜋𝑥0.006352𝑥60= 1.474

𝑚

𝑠

𝑅𝑒 =𝑣 𝐷

𝜐=

1.474𝑥0.00635

30𝑥10−6 = 312

𝑓 =64


Δ𝑃 = 𝑓𝐿

𝐷𝜌

𝑣2

2= 0.2051𝑥

3

0.00635𝑥830𝑥

1.4742

2= 87368.77𝑃𝑎 = 0.873𝑏𝑎𝑟 + 0.1𝑏𝑎𝑟 + 0.2𝑏𝑎𝑟 = 1.173𝑏𝑎𝑟

Δ𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.17255𝑏𝑎𝑟 + 0.973𝑏𝑎𝑟 + 1.173𝑏𝑎𝑟, con este dato la presión a la que debe trabajar la bomba equivale a 48.09 bar

A continuación, se calcula la potencia necesaria para del motor eléctrico para accionar la bomba:

𝑃 =𝑝. 𝑄

𝜂=

48.09𝑥105𝑥4.667𝑥10−5

𝜂=

224.44

𝜂

Ilustración 31: Curva de eficiencia para el cálculo del motor [25].

Con un valor de eficiencia 𝜂 = 0.62, 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑃 =224.44

0.62= 392𝑤, debido a ajustes comerciales se puede

aproximar a un motor eléctrico de ½ HP o superior para el funcionamiento de la bomba en óptimas condiciones.

9.4.3 Aceite seleccionado.

El aceite seleccionado para el sistema debe cumplir con una viscosidad adecuada para el diámetro de tubería seleccionado.

42

Ilustración 32. Aceite hidráulico seleccionado [27].

Se recomienda usar un aceite con la viscosidad de 32 cSt, ya sea de Mobil como el mostrado, o de cualquier otra marca.

9.4.4 Selección de las válvulas de control, de alivio, filtros.

9.4.4 1Selección de la válvula direccional.

Se selecciona una válvula accionada por solenoide para generar la maniobra en los cilindros que mueven el mandril de la dobladora de tubos. El control de la válvula se realiza a 110 V, además, se realiza el chequeo de presión y caudal, a través del cual se evidencia que la válvula seleccionada es la adecuada. de la ilustración 34 se toma la presión y caudal máximos de operación óptima de la válvula direccional.

Chequeo presión

Ilustración 33: Selección válvula 4/3 para accionar los cilindros [22].

43

Ilustración 34: Características válvula direccional 4/3 seleccionada [22].

9.4.4 2 Selección de la válvula de alivio.

Se toma como criterio de selección el rango de operación de presión y el costo de la válvula, la presión máxima de servicio es de 200 bar.

Ilustración 35: Tipos de válvula de alivio [23]

44

Ilustración 36: Dimensiones de válvula de alivio [22].

9.4.4 3 Selección Filtro.

El filtro se requiere ya que este mantiene el limpio el sistema hidráulico con una malla metálica plisada de acero inoxidable, filtra en ambas direcciones de flujo y de fácil cambio, se evidencia que la máxima presión del filtro es inferior a la presión de operación por lo que son adecuados para el sistema.

Ilustración 37. Selección filtro [24].

45

9.4.5 Selección otros accesorios.

9.4.5.1 Manómetro.

Ilustración 38: Selección manómetro [25].

9.4.6 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento hidráulico.

En el mundo de la hidráulica, se recomienda que el tamaño del tanque para aceite

hidráulico ya sea mineral, semi sintético o sintético, este sea de al menos de 3 a 5

veces el caudal máximo de la bomba por minuto (incluso de 8 veces según qué

aplicación).

De acuerdo con esto debido a las necesidades de fuerza se optará por aplicar el

valor de 8 veces el caudal máximo de trabajo, para este caso específico sería un

tanque de 20 litros aproximadamente.

46

9.5 Cálculos y diseño del eje de la máquina dobladora

9.5.1 cálculo de fuerzas para el eje

PARA EL SPROCKET:

Cálculo de fuerzas del sprocket

𝑇𝐵 =9549 × 0,1674𝐾𝑊

1𝑟𝑝𝑚= 1598.503 𝑁𝑚

𝐹𝐵𝑇 = 2𝑇𝑏

𝑑𝑝=

2 ∗ 1598.503 𝑁𝑚

0.20735= 15418.404𝑁

9.5.2 Cálculo pesos.

A continuación, se mostrará la masa de la rueda cónica, el piñón helicoidal y el

piñón recto, entregados por el software SolidWorks, valores que serán utilizados

para los demás cálculos del eje.

9.5.3 Masa del sprocket piñón.

Ilustración 39. Masa de la del sprocket piñón.

.

La masa del sprocket es 11.165 kg, lo que nos produce una fuerza de 109.53N en el

centro del sprocket, ya que el cubo es centrado.

47

9.5.4 Geometría del eje

Como punto de partida se utilizarán los diámetros y longitudes de los elementos

hallados, mostrados en la tabla 12

Tabla 12: Datos preliminares de diámetros de eje.

ELEMENTO Ø eje [mm] Longitud cubo o ancho de cara [mm]

Sprocket piñón 69 130

Para el eje, será necesario utilizar 5 secciones para una correcta fijación de todos

los elementos acoplados en él, En la ilustración 40 se muestra las longitudes de

separación y ubicación de las cargas definidas para el diseño del eje, buscando una

distancia total del eje óptima para el correcto funcionamiento de este:

Ilustración 40. Esquema del eje calculado

Se explicará detalladamente, de izquierda a derecha, por qué se seleccionaron las

longitudes de cada sección, para acoplar bien las piezas y además garantizar que el

eje no falle.

Sección 1:

En esta sección se ubica el dado formador, el cual será diseñado con un ancho de

cara de 90 mm, esto con el fin de brindarle buen apoyo a la tubería y garantizar el

proceso

Sección 2

Sirve de soporte al dado formador, ya que la configuración del eje es en sentido

vertical debe contar con un apoyo para evitar el movimiento de los elementos

Sección 3:

En esta sección estará uno de los apoyos que será elegido para el eje, definido por

las cargas y el tamaño de los elementos que conforman la dobladora.

Sección 4:

En esta sección se ubicará el sprocket calculado anteriormente, esto junto al

sistema de cierre de los pasadores y del sistema que guiará la tubería, esta será la

sección más robusta del eje debido a la alta carga que recibe en este punto.

48

Sección 5

En esta sección se ubica el otro rodamiento que hace parte de este eje, el cual es

de 25 mm de longitud, este rodamiento será calculado para soportar las reacciones

del eje y el peso de los elementos que lo conforman.

Los criterios de rigidez torsional y deflexión son lo que más se optimizan en este

caso, como se verá a continuación.

9.5.5 Geometría seleccionada para el eje.

Tabla 13: Diámetros y longitudes seleccionadas.

Sección Diámetros(mm) Longitud(mm)

1 50 90

2 60 10

3 75 25

4 90 160

5 75 25

9.5.6 Chequeos diámetros:

Para el diseño del eje es necesario conocer que diámetros va a llevar cada sección

de este, pero esto no se hace arbitrariamente, para ello existe un rango de relación

entre diámetros que debe cumplir:

Se debe cumplir: 1,2 ≤ 𝐷/𝑑 ≤ 1,5

Sección 1-2: 60𝑚𝑚

50𝑚𝑚= 1,2


60𝑚𝑚= 1,25


75𝑚𝑚= 1,2


75𝑚𝑚= 1,2

Como se observa, la relación de diámetros cumplió para cada cambio de sección,

por lo cual el eje, desde el punto de vista geométrico, cumple.

9.5.7 Redondeos:

Los redondeos también deben cumplir con una relación para que el eje quede bien

diseñado desde el punto de vista geométrico.

Se debe cumplir que: 0,02 ≤ 𝑟/𝑑 ≤ 0,06

Para iniciar los chequeos de los redondeos, se escogió un radio para estos de 3 mm

en cada cambio de sección exceptuando en la que el rodamiento choca con la

pared, y se comprobó que si cumplieran con los criterios estándar.


50𝑚𝑚= 0,06

49


60𝑚𝑚= 0,05


75𝑚𝑚= 0,04


75𝑚𝑚= 0,04

Como se observa, la relación de radio de redondeos con los diámetros cumplió para

cada cambio de sección por lo cual el eje, desde el punto de vista geométrico,

también cumple debido a estos redondeos.

9.5.8 Diseño y cálculo del eje por deformación y rigidez.

Ya se comprobó que los diámetros y los redondeos cumplen con los estándares,

ahora con esto y con las longitudes de cada sección se procede a dibujar el eje, y a

realizar el diseño de este, mediante la herramienta Solid Edge.

Para el diseño del eje es necesario conocer a que fuerzas está sometido (ya

calculadas previamente), conocer la geometría del eje que ya se chequeo, y el

material con el que se desea hacer el eje, para este se usará AISI 4140 TyR 470 ºC

con el fin de que el factor de seguridad más adelante sea superior a 1.5, puesto que

al tabular los datos de diferentes aceros estos no cumplían el rango, o se

sobrepasaban en el diseño.

Ilustración 41: Material seleccionado.

Ilustración 42: Esquema introducido en Solid Edge

.

50

Para realizar los cálculos de las deformaciones en Solid Edge, se deben introducir

las cargas a las cuales está sometido el eje. Estas cargas en ambos elementos se

ubican en el centro del cubo de estos pues son simétricas.

Asignación de cargas:

Ilustración 43: Cargas en la sección del sprocket

Tener en cuenta que se suma el peso de los elementos a la carga que ya se ejerce

debido a la fuerza hidráulica de la máquina.

Ilustración 44: Cargas en la sección del sprocket.

A continuación, se presentan los resultados arrojados por el programa Solid Edge,

según la geometría del eje y el material con el que se desea fabricar, estos se

comparan posteriormente con otros criterios que definen si el eje falla o no:

51

Ilustración 45: Resultados entregados por el software Solid Edge

9.5.9 Análisis de rigidez torsional

𝑑𝑝𝑟𝑜𝑚 =[(45 ∗ 50) + (10 ∗ 60) + (25 ∗ 75) + (80 ∗ 90)]𝑚𝑚2

45 + 10 + 25 + 80

𝑑𝑝𝑟𝑜𝑚 = 74.531 𝑚𝑚

Como el ángulo de giro permisible es de 1° en la longitud de 20 veces el diámetro

promedio anteriormente, para ejes de transmisión, calculamos el ángulo máximo

permisible en este eje.

(20)74.531 𝑚𝑚 1°

160 𝑚𝑚 𝑥

𝑥 =160𝑚𝑚 × 1°

(20)74.531𝑚𝑚= 0.2398

𝑥 (Angle of Twist) = 0,107337° < 0.1174 ✔ CUMPLE

9.5.10 Análisis de rigidez lateral:

- Deflexión máxima entre cojinetes:

Utilizando longitud de eje entre los soportes. 0.001 𝑝𝑢𝑙𝑔

12𝑝𝑢𝑙𝑔∗ (12.5 + 160 + 12.5) = 185𝑚𝑚 =>

252.5 ∗ 0.001

12≈ 15.42𝜇𝑚

52

Ilustración 46: Deflexión en el eje.

8.22 𝜇𝑚 < 15.417𝜇𝑚 ✔ CUMPLE

9.5.11 Análisis de pendiente en rodamiento

Para el correcto funcionamiento de los rodamientos, la pendiente no deberá exceder

los valores a continuación:

Rotation [rad]]

Soporte fijo 0.000131 < 0,0005 ✔ CUMPLE

Soporte móvil 0.000233< 0,0005 ✔ CUMPLE

9.5.12 Diseño y cálculo del eje por esfuerzo y resistencia.

Ya conociendo nuestra geometría final, con sus respectivos chequeos, se procede a

realizar el análisis de fatiga mediante el software AutoCAD.

Se dibuja el eje con las mismas dimensiones de Solid, además, se realiza la misma

disposición de las cargas en este software.

Ilustración 47: Esquema final y cargas en el eje calculadas por AutoCAD

53

Dado a que el eje va a ser de acero AISI 4140 TyR a 425°C, es necesario asignar

los módulos, y propiedades estándar para este acero:

Ilustración 48: Propiedades mecánicas del acero seleccionado [26].

Ilustración 49. Propiedades del acero por Shigley e ingresadas en el AutoCAD.

Al igual que en Solid, es necesario conocer las cargas a las que está sometido el

eje, por lo cual también se asignan en AutoCAD. La carga generada por el peso de

la rueda helicoidal se coloca a pate de las cargas generadas por la transmisión, sin

tener en cuenta el diámetro de la rueda, para que no genere momentos erróneos en

los cálculos.

Luego de introducir el material se obtiene los resultados. Para confiar en estos

resultados se debe revisar que los resultados de los esfuerzos en los rodamientos,

tanto de Solid Edge como de AutoCAD Mechanical sean cercanos:

54

Tabla 14: Comparación de resultados entre Solid Edge y AutoCAD.

Resultantes soportes

Soporte

Solid Edge AutoCAD

móvil Fr 13334.8 13335

Fa 0 0

fijo Fr 13334.8 13335

Fa 500 500

Ilustración 50: Gráfica de máximo esfuerzo de Von Misses.

Se puede observar de la ilustración 50 que el punto más crítico se ubica en el

redondeo de la primera sección, así que se procede a encontrar un factor seguridad

de fallo a la fatiga correcto, para esto se debe cumplir que dicho factor sea superior

o igual a 1.5.

55

Estos son los cálculos encontrados por el programa:

Ilustración 51: Resultados AutoCAD.

Como es una sección con chavetero, el acabado que este presenta es el que me

arroja un arrastre en frio o mecanizado.

Ilustración 52. Factor de seguridad

56

9.5.13 Cálculo de rodamientos.

Results:

Type of bearing Single-row deep-groove ball

bearing Catalog SKF Bearing number 6215 Bearing series 62 Recommended shaft seat tolerance field k6(k5) Recommended tolerance field of housing bore H7(H6)

Bore diameter d =

75.0 mm

Outside diameter Da = 130.0

mm

Bearing width B = 25.0

mm

Static load rating C0 =

49000 N

Static radial factor X0 = 1.00

Static axial factor Y0 = 0.00

Equivalent static load P0 = 13335

N

Stress index fs = 3.7

Dynamic load rating C = 66300

N

Dynamic radial factor X = 1.00

Dynamic axial factor Y = 0.00

Equivalent dynamic load P = 13335

N

Max. operating speed ng = 5600

rpm

Factor for failure probability a1 = 1.00

Material and lubrication factor a23 = 0.15

Nominal fatigue life L = 17.9

10^6

rev Nominal fatigue life Lh =

3.0e+005 h

Operating viscosity Ny = 68.0

mm²/s

Mass m = 1.200

kg

Note

s

fs= 3.7 >= 2.0=fs req

Lh= 297936.7 h >= 200000 h =Lh req

Ilustración 53: Resultados para el cálculo de rodamientos.

57

9.5.14 Chaveteros.

Los chaveteros se recalcularon con el software MDESING para cada sección con

los diámetros. Las ilustraciones 54 y 55, muestran las medidas de estos chaveteros. Results

Resulting Key Characteristics

Proposed key type Square Key Width of key W = 12.700 mm Height of key H = 12.700 mm Minimum required length of key Lmin = 69.518 mm Proposed key length L = 88.900 mm

Dimensions for Key seats

Chordal height Y = 0.820 mm Depth of shaft key seat S = 42.830 mm Depth of hub key seat T = 55.657 mm

Suggested Fillet Radii and Key Chamfers

Suggested fillet radius = 0.794 mm

Suggested 45° key chamfer = 1.191 mm

Ilustración 54: Medidas de chavetero sección 1, soporte mandril formador.

Results

Resulting Key Characteristics

Proposed key type Square Key Width of key W = 22.225 mm Height of key H = 22.225 mm Minimum required length of key Lmin = 22.069 mm Proposed key length L = 152.400 mm

Dimensions for Key seats

Chordal height Y = 1.394 mm Depth of shaft key seat S = 77.494 mm Depth of hub key seat T = 99.846 mm

Suggested Fillet Radii and Key Chamfers

Suggested fillet radius = 1.587 mm

Suggested 45° key chamfer = 1.984 mm

Ilustración 55: Medidas de chavetero sección 4, soporte sprocket.

58

9.5.15. Ajustes para elementos sobre el eje

9.5.15.1 Ajustes para la sección del sprocket

Ilustración 56: Ajuste agujero del sprocket

9.5.15.2 Ajustes en los chaveteros.

Ilustración 57: Ajuste para el chavetero del sprocket.

59

9.5.15.3 Ajuste para rodamientos.

De los documentos proporcionados por el docente se tomará el valor del ajuste de

los rodamientos, el cuál corresponderá a un ajuste fijo, desmontable y bloqueado, es

decir m6.

Ilustración 58: Ajuste para rodamientos.

10. Esquema de la red de Petri para la programación de la dobladora en un plc.

T2

T3 T4

T5

T6

T1

M0.0

M0.1

M0.2

M0.3 M0.4 M0.5

M0.6

M0.1

T7 T8 T9 T10 T11

M0.1, M0.2, M0.3, M0.4, M0.5, M0.6

M0.1,

M0.1,

T12

60

T1= I0.0 Iniciar la máquina

T2= I0.1 Doblar tubo a 30°





T7= I0.6xT1 Retroceder al terminar 30°





T12=I1.3 lleva todo a M0.0, (PARO DE EMERGENCIA)

11. Manual de operación y mantenimiento de la máquina dobladora

11.1 Antes de comenzar a utilizar la máquina dobladora de tubería redonda es

importante cerciorarse de:

1) El área de ubicación de la máquina debe ser la apropiada para este tipo de

trabajo. Es elemental trabajar en un lugar bien iluminado, nunca a la

intemperie, así como tampoco en presencia de líquidos o gases inflamables.

2) Contar con los elementos de seguridad industrial necesarios como gafas,

guantes y zapatos cubiertos. No utilice ningún tipo de joyería o ropa suelta

que pueda quedar enredada en la máquina. Para personas con cabello largo

se recomienda llevarlo recogido. Evitar contacto con las partes que estén en

movimiento para evadir posibles lesiones personales.

3) Desconectar la máquina de la conexión eléctrica antes de realizar cualquier

tipo de movimiento de partes o mantenimiento. El switch del guarda motor y

la palanca del comando hidráulico deben estar en la posición de apagado al

momento de reconectar la máquina a la conexión eléctrica.

4) Cuando conecte la máquina asegúrese de que todas las partes que entrarán

en moviendo estén libres de obstrucciones.

5) Nunca deje la máquina funcionando desatendida. No se retire hasta que ésta

pare por completo.

6) Al trabajar con tubería muy larga sopórtela en su extremo libre.

7) No doble tubería con características diferentes de la especificada para esta

máquina.

8) Tener cuidado al mover cualquier parte de la máquina, ya que algunas, como

el dado formador, pueden ser extremadamente pesadas.

9) Al apagar la máquina guarde por completo los vástagos de los cilindros para

evitar desgaste en los mismos y no afectar el sello con los empaques.

61

11.2 Suministro de electricidad:

La máquina dobladora está diseñada para funcionar con un motor de ½ HP a 110

voltios monofásico, operar la máquina a voltajes diferentes puede incrementar el

riesgo de daños, incendios y lesiones personales.

11.3 Instrucciones de operación:

1) Verificar que los accesorios de doblado estén en la posición correcta, tales

como el dado formador y las zapatas deslizantes.

2) Chequear el apriete de todas las partes y la ausencia de objetos sueltos que

puedan afectar el correcto funcionamiento de la máquina.

3) Poner el switch del guardamotor en la posición de encendido “ON”.

4) Rociar el dado formador y las zapatas con lubricante en aerosol.

5) Insertar la tubería a doblar entre el dado y el sujetador del tubo en C.

6) Para comenzar a doblar es necesario accionar el botón de control del sistema

hidráulico en la posición de avance hasta alcanzar el ángulo de doblado

deseado, teniendo en cuenta la recuperación que puede tener el material de

la tubería.

7) Al terminar el doblez se debe retirar la tubería del dado formador.

11.4 Mantenimiento.

Cada vez que utilice la máquina verifique primero que todas las partes del sistema

hidráulico de la misma estén en perfecto estado. Si encuentra piezas dañadas, tales

como mangueras con fisuras o acoples o tapones con fugas reemplácelas

inmediatamente.

De igual manera las partes de la máquina que se encuentren en mal estado, o con

señales de desgaste excesivo deben ser reemplazadas antes de comenzar a

doblar.

Cada mes se debe lubricar el ensamble del eje principal a través de las graseras.

El aceite hidráulico debe ser drenado y reemplazado cada año.

62

12. Resultados y análisis

Se presenta un prototipo con sus elementos de mayor importancia calculados en su

totalidad, como rodamientos, sistema hidráulico, eje, brindando así la tranquilidad de

tener una maquina dispuesta a realizar los trabajos pesados requeridos por la

empresa ya que están calculados para su proceso productivo y cumplen a cabalidad

y con buena calidad todos los conformados que sean necesarios, por otro lado se

obtienen cálculos que comprueban la resistencia y durabilidad de la máquina,

además se presentan planos de ensamble preliminar de la máquina mas no

detallados de sus componentes por cuestiones de confidencialidad, además, de un

instructivo de mantenimiento y de operación junto con su diagrama de Petri para

realizar una posterior programación con un plc y realizar la automatización del

proceso.

13. Conclusiones.

Se obtienen resultados satisfactorios y un análisis con buen detalle para la

maquina dobladora.

De acuerdo con todos los cálculos realizados a los diferentes elementos de la

máquina, se cumple con todos los requerimientos de resistencia y de fuerzas

necesarias para realizar el proceso de doblez de los perfiles tubulares.

Se realizaron planos de los elementos más importantes de la maquina

además se entrega un ensamble del prototipo de la maquina a la empresa

para su posterior puesta en funcionamiento de ser requerido, pero por temas

de confidencialidad solo se presentará un esquema del ensamble de la

máquina.

Se realizan planos de fabricación, presentando los elementos necesarios

para una fabricación fácil.

63

14. Bibliografía

[1] Servfabmant. (2013). Obtenido de http://www.mueblessfm.com/portfolio/servicio-de-doblado-de-tubos/

[2] Carrasco Vasquez, V. H. (2004). Operaciones de doblado. En Tecnología mecánica II (págs. 209-217). Cochabamba-Bolivia.

[3] Alberto, S. _. (s.f.). Universidad Rafael Landivar. Obtenido de http://recursosbiblio.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/5-Deformacion.pdf

[4] thoman. (2014). Obtenido de https://www.thoman.de/es/máquinas/curvadoras-universales/opciones/

[5] CENSA INDUSTRIAL. (2018). Obtenido de https://censaindustrial.com/blog.php?id=157&tag=1&q=Doblez

[6] De máquinas y herramientas. (2014). Obtenido de http://www.demáquinasyherramientas.com/máquinas/dobladoras-de-cano-o-tubo

[7] MIPSA expertos procesando metales. (2018). Obtenido de https://www.mipsa.com.mx/dotnetnuke/Procesos/Doblez

[8] Gestion de compras y productos. (s.f.). Obtenido de http://www.gestiondecompras.com/es/productos/conformado-de-tubos-y-perfiles/curvado-de-tubos

[9] Cubillas tools. (2018). Obtenido de

http://cubillastools.com/shop/dobladora-de-tubo-ptr-manual/119-dobladora-de-

tubo-hidraulica-de-16-toneladas.html

[10] IMOCOM. (2014). Obtenido de

http://www.imocom.com/transformacion-de-lamina/dobladoras/doblado-de-

tubo/dobladora-de-tubo-soco-sb-80x4a-3sv

[11] KLEIN TOOLS. (2014). Obtenido de

https://data.kleintools.com/sites/all/product_assets/documents/instructions/klei

n/ConduitBender_Guide_SPANISH.pdf

[12] De Motos. (2009). Obtenido de

https://debates.motos.coches.net/discussion/216344/dobladoras-de-tubos

[13] RIDGID. (2019). Obtenido de

https://www.ridgid.com/co/es/aleta-basculante-dobladoras

[14] Pinterest. (2019). Obtenido de

https://co.pinterest.com/nelsoncaden/herramientas/

[15] Renold Chain Selector. (2011). Obtenido de

http://www.renoldchainselector.com/ChainSelector

[16] NORMA ISO. (2019). Obtenido de

https://www.iso.org/standard/30444.html

[17] ASTM/ASME. (2019). Obtenido de

https://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2443/login?qurl=http%3a%2f%2fco

mpass.astm.org

[18] NORMA TÉCNICA COLOMBIANA (2019). Obtenido de

http://www.lacampana.co/articulo-norma-ntc-1560

https://data.kleintools.com/sites/all/product_assets/documents/instructions/klein/ConduitBender_Guide_SPANISH.pdf

https://data.kleintools.com/sites/all/product_assets/documents/instructions/klein/ConduitBender_Guide_SPANISH.pdf

https://debates.motos.coches.net/discussion/216344/dobladoras-de-tubos

https://www.ridgid.com/co/es/aleta-basculante-dobladoras

https://co.pinterest.com/nelsoncaden/herramientas/

http://www.renoldchainselector.com/ChainSelector

Documents

Universidad De Antioquia - DANIEL ALBERTO ZULUAGA …bibliotecadigital.udea.edu.co/bitstream/10495/12231/1/... · 2020. 1. 22. · FACULTAD DE INGENIERÍA MEDELLÍN 2019. 2 ... 11.2