Artículo Científico DiseñoDobladora Silva Barboza

8/18/2019 Artículo Científico DiseñoDobladora Silva Barboza

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Silva, C., Barboza, R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfilesestructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. – Rev. Ingeniería: Ciencia, Tecnología e

Innovación VOL 2/N° 1, ISSN: 2313-1926/2014

Rev. Ingeniería: Ciencia, Tecnología e Innovación 2014 2(1)

DISEÑO DE UNA MÁQUINA DOBLADORA CONTROLADA POR ACCIONAMIENTO

ELECTROHIDRÁULICO PARA PERFILES ESTRUCTURALES LAC Y TUBOS SCH 40 DE

HASTA 4 PULGADAS DE DIÁMETRO

DESIGN OF A CONTROLLED BENDING MACHINE ELECTRO-HYDRAULIC STRUCTURALPROFILES FOR LAC AND PIPE SCH 40 UP TO 4 INCHES IN DIAMETER

César Enrique Silva Sandoval 1

Rolando Barboza Huamán 2

Resumen

Ante la rigidez de las formas rectas, que por naturaleza ofrece el metal, y la falta deautomatización en el proceso de doblado surgió la necesidad de diseñar una máquina dobladoracon accionamiento electrohidráulico que hiciera posible la no existencia de las deformacionesmecánicas y estéticas del material generando curvas de calidad todo esto gracias a la fuerzanecesaria de doblado, radio mínimo de curvatura y desviación del eje neutro.

Se planteó como objetivo principal el diseño de una máquina dobladora controlada poraccionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. Para cumplir con dicho objetivo; se realizó un diseño conceptual de lamáquina, en el cual se describió todo lo referente a los distintos tipos de proceso y máquinas dedoblado existentes en el mercado; así mismo, se realizó la descripción de las deformaciones quese producen en el proceso de doblado. En el que se incluyen los parámetros para evitarlas.

En este mismo orden de idas; se trabajó con un diseño detallado, en el que se realizaronlos cálculos pertinentes al diseño y selección de los distintos mecanismos que conforman lamáquina, siendo estos analizados mediante software de Análisis de Elementos Finitos.

Con el diseño de la máquina se obtiene que el factor de curvatura debe ser mayor de 2y el ángulo de transición aproximadamente 5 de tal forma se evita la formación de arrugas yrecuperación elástica respectivamente

Las características del tubo, ángulo de doblado, radio de curvatura son las variablesindependientes y las variables dependientes son el diseño, la potencia y velocidad de lamáquina.

El diseño de la maquina cuenta con el proceso de doblado por jalado rotatorio debido aque es más adecuado y puede usarse sin mandril, esta herramienta ayuda a no formar arrugas enel material.

Se realizó el cálculo tomando como muestra el tubo SCH 40 de mayor dimensión que para este caso es de 4 pulgadas obteniendo una fuerza mínima de 283.43 KN,

Se realizó el cálculo teórico tomando en cuenta un factor de seguridad de 2recomendados según la norma ASME. Se tuvo gran consideración en los elementos principalesal momento del diseño realizando el análisis de carga estática y el análisis para falla por fatiga para asegurar el buen y correcto funcionamiento de la máquina.

1 Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Facultad de Ingeniería, Arquitectura

y Urbanismo. Egresado. Chiclayo. Lambayeque. Perú. [email protected]. 2 Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Facultad de Ingeniería, Arquitectura y

Urbanismo. Egresado. Chiclayo. Lambayeque. Perú. [email protected].


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Con la ayuda del software SOLIWORK, se modelo los componentes para visualizar elmodelo final de la pieza,

Con el software FEA de SOLIWORK Se obtuvo de los elementos principales los

factores de seguridad mayores a 1.5, los desplazamientos menores a 0.5 mm y las tensionesgeneradas se encuentran dentro del límite elástico.

Los planos se elaboraron de acuerdo a las normas técnicas peruanas NTP: ICS01.100.01 y las normas UNE 1032 de dibujo técnico en general.

El maquina dobladora de perfiles LAC y tubos SCH 40 tiene un costo total de$22.289.39 dólares.

Palabras claves: Dobladora, perfiles LAC, tubos SCH 40, maquina, proceso de doblado, Diseñomecánico, electrohidrulica.

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Abstrac

Given the rigidity of straight lines, which naturally provides the metal, and the lack ofautomation in the folding process became necessary to design an electro-hydraulic bendingmachine that made possible the absence of mechanical and aesthetic material deformationsgenerating quality curves all thanks to the bending force needed, and minimum radius ofcurvature of the neutral axis deviation.

Raised as main objective the design of a bending machine controlled electrohydraulic drive forstructural shapes and tubes LAC SCH 40 up to 4 inches in diameter. To meet this objective; aconceptual design of the machine, in which everything related to the various types of processand machines on the market folded described was performed; Likewise, the description of thedeformations that occur in the bending process is performed. In which the parameters foravoiding included.

In this same order of comings; we worked with a detailed design, in which the relevantcalculations in the design and selection of the various mechanisms that make the machine weremade, and these software analyzed using Finite Element Analysis.

With the design of the machine is obtained that the curvature factor should be greater than 2 andabout 5 transition angle so wrinkles and prevents springback respectively

The characteristics of the tube, bending angle, bending radius are the independent variables andthe dependent variables are the design, the power and speed of the machine.

The design of the machine has the folding process by rotating pulled because it is more suitableand can be used without mandrel, this tool helps not form wrinkles in the material.

The calculation was performed taking as example the SCH larger tube 40 which in this case 4inches is obtaining a minimum strength of KN 283.43,


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The theoretical calculation was performed taking into account a safety factor 2 Recommended by ASME. Great consideration was taken into the main elements at the time of performing theanalysis of static load and fatigue failure analysis to design to ensure the smooth and properfunctioning of the machine.

With the help of software SOLIWORK, components model to visualize the final part model,

With the FEA software was obtained SOLIWORK major elements safety factors greater than1.5, the small displacement of 0.5 mm and the generated voltages are within the elastic limit.

The plans were prepared according to Peruvian technical standards NTP: ICS 01.100.01 1032and UNE technical drawing in general.

The bending machine profiles and tubes LAC SCH 40 has a total cost of $ 22.289.39.

Keywords: bend ing, LAC profiles, tubes SCH 40, machine, bending process, mechanical design,

electrohidrulica, drive.

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1. Introducción

En la actualidad han surgido nuevos tecnologías para mejorar la calidad del producto enel proceso de doblado de tubos, cuyo procedimiento radica en doblar tubos metálicos mediantefuerza mecánica o hidráulica hasta lograr el radio requerido sin necesidad de someter el materiala elevadas temperaturas. Desde hace décadas se implementó la inclusión de este método con elfin obtener la forma curva de tubos y perfiles estructurales

Son aportes para la construcción de infinidades de elementos utilizados en el transportede fluidos, también como componentes estructurales en la industria naval, la industriaautomotriz (trimoviles), construcciones civiles y maquinaria. Además de muebles, rieles,andamios, pasamanos, calderas, intercambiadores de calor, entre muchas otras aplicaciones quese pueden obtener mediante este proceso de doblado, el cual requiere experiencia, precisión ycalidad, puesto que un cálculo erróneo o exceso de fuerza puede arruinar el material tantoestética como mecánicamente originando la aparición de arrugas, ruptura completa del material.

Por todo lo anteriormente expuesto; surge la iniciativa de construir una maquinadobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y

tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro con la finalidad de minimizar las deformacionesen el material; y así entregar el producto final de buena calidad.

El objetivo general es “Diseñar una máquina dobladora controlada por accionamientoelectrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas dediámetro considerando la normativa técnica, higiénica, ambiental y de seguridad vigente”. Locual ya la realización de este objetivo se plantearon los siguientes objetivos específicos:

a) Determinar las deformaciones en el proceso de doblado de perfiles LAC y tubosSCH.

b) Identificar las variables principales del proceso de doblado de tubos.c) Evaluar las alternativas para el diseño de la máquina para posterior selección de los

componentes.d) Calcular la fuerza necesaria para el proceso de doblado del perfiles LAC y tubos

SCH 40 de 4 pulgadas de diámetro.


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e) Realizar el cálculo mecánico teórico de los elementos más críticos para el posteriordimensionamiento y selección de los componentes de la maquina dobladora.

f) Modelar los componentes en software CAD/CAE.g) Analizar mediante software FEA (Análisis de Elementos Finitos) los elementos

mecánicos más críticos del diseño.h) Elaborar los planos de la máquina utilizando las normas de representacionesgraficas de ingeniería.

i) Realizar el análisis económico de la máquina. j) Elaborar el plan de mantenimiento preventivo.k) Elaborar el manual de instalación y de operación de la máquina.

El diseño de la maquina cuenta con un sistema hidráulico, mecanismos de conversiónde movimiento lineal a movimiento angular y un mecanismo de sujeción en el tubo que ayudaraa resolver los problemas que representa el método de doblado de tubos obteniendo mejoresresultados.

Brinda mejores condiciones de trabajo y seguridad al operario y de otra forma ayuda asu especialización en nuevos procesos de doblado y manejo de nuevos mecanismos.

El diseño trabaja con un sistema hidráulico donde se utilizara el aceite másrecomendable para no ser cambiado durante un buen tiempo de operación y solo remplazar elfiltro del sistema, de ésta manera se contribuye al cuidado del medio ambiente.

2. Materiales y métodos

En lo que concierne a esta investigación, se toma como población todos los diámetros y perfiles que se fabrican actualmente.

En la actualidad existen dos proveedores reconocidos como son ACEROS AREQUIPAY SIDERPERU que suministran distintos tipos de tubos y perfiles, Tomaremos como muestralos tubos SCH 40 con un diámetro de 4 pulgadas.

El estudio se realizó en la Universidad Señor de Sipán, distrito de Pimentel, provinciaChiclayo, departamento de Lambayeque. El periodo de estudio para la investigación fue de 8meses.

La variable independiente son los parámetros del material a doblar (se considera lascaracterísticas del tubo, Angulo de doblado y radio de curvatura) y la variable dependiente sin

los parámetros de la maquina (está referida al diseño la potencia y velocidad de la maquina)Utilizamos las siguientes técnicas para la recolección de la información: observación,

análisis de documentos y simulación con software de ingeniería.

Primero partiremos del análisis de documentos, en donde se obtendrá todo lainformación necesaria sobre el proceso de doblado. Partiremos del “Diseño y construcción deuna máquina dobladora de tubos hidráulica con accionamiento automático” el cual nos servirácomo punto de partida para el diseño. Después del análisis de los textos “diseño de ingenieríamecánica” y “electrohidráulica” diseñaremos los componentes principales de la maquinadobladora Por último el análisis estructural lo llevaremos a cabo en el software Solidworks

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3. Resultados

Los resultados de la investigación fueron los siguientes: se diseñó una maquinadobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y

tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. La máquina está formada por 5 partes, el brazomóvil, brazo fijo, mesa soporte de brazos, carro longitudinal, bancada. La máquina fue diseñadateniendo en cuenta los parámetros que se muestran en la tabla 1. Estos parámetros se obtuvierondel catálogo de Aceros Arequipa.

En la figura 2 mostramos los grados de libertad que tiene la maquina


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La disposición de los apoyos y la guía al momento de curvar es esencial, de modo queesto le permitirá deformar el tubo de la manera requerida. En la figura 3, se muestra ladisposición de los apoyos y la guía.


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Una vez que la guía comienza a girar alrededor del disco moldeador, se comenzará aejercer una fuerza en el perfil, la cual permitirá deformarlo plásticamente en el proceso dedoblado

La calidad de las curvas obtenidas al doblar un tubo depende en gran parte de la relaciónque existe entre el diámetro exterior del tubo a doblar, (Øe), y el radio de curvatura obtenidodespués de doblar el tubo, (Rc). Esta relación se conoce como factor de curvatura, (Fc).

Por medio del factor de curvatura es posible determinar el radio mínimo decurvatura que se le puede dar al tubo con el fin de que este no presente achataduras,arrugas ni grietas.

Los valores de Fc entre 1 y 2, indican que el doblez es de alta dificultad, por lotanto es necesario calentar el tubo o utilizar elementos de relleno como mandriles,resina, alquitrán o arena seca para evitar que se produzcan defectos de calidad.

El valor recomendado del factor de curvatura está en un rango de 2.5 a 3.5, en elcual el doblez se considera simple.

En la tabla 2 se muestran diferentes diámetros de tubería, con sus respectivosespesores y radios de curvatura para un factor de curvatura de 2; 2.5; 3 y 3.5

En la figura 4, se puede apreciar la variación que tiene la fuerza con relación alradio mínimo de curvatura, esta nos indica que a menor factor de curvatura habrámenor radio de curvatura pero mayor es la fuerza de doblado


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El diseño de la máquina constará de un eje principal, en el cual se trasmitirá eltorque necesario a través de un engranaje.

El diagrama del cuerpo libre del eje mostrando las cargas que se aplican. Comose ve en la figura 5, se utilizó para el desarrolló el análisis de fuerzas en los planos (x-y)y posteriormente (x-z).

El eje principal es de una aleación de Acero AISI 4340 (acero bonificado alcromo-níquel-molibdeno apto para altas exigencias a la tracción, torsión y flexión)templado y revenido a 1200ºF puesto que es un material lo suficientemente resistente

para soportar las cargas que actúan en el mismo y ser lo menos voluminoso posible

Usando la Teoría De La Energía De La Distorsión (DET) también conocidocomo el criterio de Von Mises se calculó el diámetro más pequeño donde la fallaempezara a ocurrir. También se realizó el cálculo de diseño por fatiga donde se utilizóla ecuación del criterio de ED – Goodman

Dando como resultado un eje de diámetro de 6 pulgadas


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Se procedió primero al diseño del eje y posteriormente se simuló el modelo enElementos Finitos utilizando el software Solidworks. Dando como resultado que lasdeformaciones previstas son más que aceptables, como se aprecia en la tabla 3.

En la figura 6 se aprecia el analisis del eje principal mediante elementos finitos.


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Todos los componentes mecanicos que se diseñaros fueron simulados mediantesoftware FEA dando resultados satisfactorios.

El esquema del circuito hidráulico correspondiente para la máquina dobladora detubos se puede observar en la figura 7.

En este circuito se aprecia la conexión de los cilindros hidráulicos y suscomponentes como las electroválvulas y válvulas reguladoras de presión.


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4. Discusión

Esta máquina es utilizada ampliamente componentes estructurales en la industria naval,la industria automotriz (trimoviles), construcciones civiles y maquinaria. Además de muebles,

rieles, andamios, pasamanos, entre muchos más

El cual requiere experiencia, precisión y calidad, puesto que un cálculo erróneo oexceso de fuerza puede arruinar el material tanto estética como

Según Wang, la condición necesaria para la cual no se formarían arrugas en la parteinterna de la curva es cuando se cumple la siguiente condición:

Este resultado está en lo correcto con nuestro cálculo y se puede apreciar con el radiomínimo de curvatura.

5. Conclusiones

Se diseñó una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro.

Se cumplieron con los objetivos específicos llegando a los siguientes resultados:

Se obtuvo que la formación de arrugas se puede evitar si se tiene en cuenta el radio decurvatura mínimo del tubo que es directamente proporcional al factor de curvatura y este

debe ser mayor de 2, y aproximadamente 5 debe ser el ángulo de transición para evitar larecuperación elástica o springback, de este modo se obtiene curvas de calidad y precisión.

Se determinó que las características del tubo, ángulo de doblado, radio de curvatura sonlas variables independientes de esta investigación por que producen un cambio en las variablesdependientes que para este caso son el diseño, la potencia y velocidad de la máquina.

Se evaluó que el doblado por jalado rotatorio es el proceso de doblado más adecuado y puede usarse sin mandril, esta herramienta ayuda a no formar arrugas en el material pero cuandono es regulada correctamente dificulta el proceso.

Se realizó el cálculo tomando como muestra el tubo SCH 40 de mayor dimensión que

para este caso es de 4 pulgadas obteniendo una fuerza mínima de 283.43 KN para un factor decurvatura de 2, si este factor aumenta la fuerza disminuye como se puede apreciar en la gráficade Fuerza - Radio. También la fuerza de doblado cumple con la condición necesaria donde ellímite de fluencia (Sy= 205 Mpa) es menor al esfuerzo de diseño (Sd=307.5 Mpa) y estas dosúltimas menores a la resistencia ultima a la tensión del material (Sut=330 Mpa).

Se realizó el cálculo teórico tomando en cuenta un factor de seguridad de 2recomendados según la norma ASME. El eje y engranaje principal, rodamientos, chaveta y pasadores son algunos de los elementos principales de la máquina, se tuvo gran consideración almomento del diseño realizando el análisis de carga estática y el análisis para falla por fatiga paraasegurar el buen y correcto funcionamiento de la máquina.

Se modelo los componentes con la ayuda del software SOLIWORK, el cual es de bastante ayuda al momento visualizar el modelo final de la pieza, mejorando la toma dedecisiones al momento de diseñar componentes mecánicos.


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Se obtuvo de los elementos principales los siguientes resultados: factores de seguridadmayores a 1.5, los desplazamientos son menores a 0.5 mm y las tensiones generadas seencuentran dentro del límite elástico del material, todos estos datos se obtuvieron con el

software FEA de SOLIWORK.

Se elaboró los planos de acuerdo a las normas técnicas peruanas NTP: ICS 01.100.01 ylas normas UNE 1032 de dibujo técnico en general con la necesidad de plasmar en el plano (dosdimensiones) la representación de objetos tridimensionales así como de poder construir las piezas partiendo de los planos correspondientes.

El maquina dobladora de perfiles LAC y tubos SCH 40 tiene un costo total de$22.289.39 dólares.

Se elaboró el plan de mantenimiento clasificando las rutinas en: diarias, semanales,mensuales, semestrales y anuales. Ayudando a facilitar una mejor operación y del mismo modo

asegurar la vida útil de la máquina.

Se elaboró el manual instrucciones de la maquina brindando las pautas para el trasporte,nivelación, área de trabajo y características principales de la máquina.


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