Diseño Molino Bolas

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  • PROYECTO PROFESORAL DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA

    ENERGIA Y ALTA CAPACIDAD

    Directores del proyecto:

    HECTOR ENRIQUE JARAMILLO. MSc. NELLY CECILIA ALBA DE SANCHEZ. PhD.

    Asesores:

    HECTOR SANCHEZ STHEPA. PhD.

    Estudiantes: JORGE MARIO GRUESO C.

    DIEGO FERNANDO HERRERA M.

    UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERA

    DEPARTAMENTO DE ENERGTICA Y MECNICA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BSICAS DE INGENIERA

    PROGRAMA INGENIERA MECNICA SANTIAGO DE CALI

    2005

  • DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA

    ENERGA Y ALTA CAPACIDAD

    JORGE MARIO GRUESO CASTILLO

    DIEGO FERNANDO HERRERA MUOZ

    UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

    DEPARTAMENTO DE ENERGTICA Y MECNICA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS DE INGENIERIA

    PROGRAMA INGENIERA MECNICA SANTIAGO DE CALI

    2005

  • II

    DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA

    ENERGA Y ALTA CAPACIDAD

    JORGE MARIO GRUESO CASTILLO

    DIEGO FERNANDO HERRERA MUOZ

    Trabajo de grado para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

    Directores

    Hctor Enrique Jaramillo Suarez, MSc. Departamento Energtica y Mecnica

    Nelly Cecilia Alba de Snchez, PhD. Departamento Ciencias Bsicas de Ingeniera Grupo Ciencia e Ingeniera de Materiales A

    Asesor:

    HECTOR SANCHEZ STHEPA. Dr.

    UNIVERSIDAD AUTNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERA

    PROGRAMA INGENIERIA MECNICA SANTIAGO DE CALI

    2005

  • CONTENIDO

    Pg.

    INTRODUCCIN 11

    1 OBJETIVOS 15

    1.1 OBJETIVO GENERAL 15

    1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS 15

    2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16

    3 CONCEPTOS GENERALES 18

    3.1 PULVIMETALRGIA 18 3.1.1. Procesos para la Produccin de Polvos Metlicos 18

    3.2 ALEACIN MECNICA 22

    3.3 POSTPROCESAMIENTO DE LOS POLVOS METALRGICOS DE ALEACIN 26

    3.3.1 Proceso de Compactacin 27 3.3.2 Proceso de Sinterizado 29

    4 MOLINOS DE BOLAS 31

    4.1 TIPOS DE MOLINO 32 4.1.1 Molino Planetario 33 4.1.2 Molino Attritor 37 4.1.3 Molino Vibratorio 40

    4.2 EVALUACIN DE LAS ALTERNATIVAS 43 4.2.1 Conclusiones 44

    5 PROCESO DE DISEO 45

  • 2

    5.1 RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD 45

    5.2 ESPECFICACIONES Y REQUERIMIENTOS 47 5.2.1 Capacidad del Molino 47 5.2.2 Por que Alta Energa? 47 5.2.3 Sistema de Tipo Funcional 48 5.2.4 Caractersticas del Movimiento Vibratorio 48

    5.3. ESTUDIO DE POSIBILIDADES 48

    5.4 METODOLOGA DEL DISEO 49

    5.5 DISEO PRELIMINAR Y DESARROLLO 52

    5.6 DISEO DETALLADO 52 5.6.1 Sistema de Transmisin Planetaria 53 5.6.2 Sistema Planetario 104 5.6.3 Sistema Vibrogenerador 136

    6. PARTICIPACIONES EN EVENTOS Y PUBLICACIONES 146

    7. CONCLUSIONES 148

    BIBLIOGRAFA 150

    ANEXOS 154

  • 3

    LISTA DE FIGURAS

    Pg.

    Figura 1. Atomizacin por Agua y Gas. 19

    Figura 2. Proceso de Electrolisis. 21

    Figura 3. Tcnica de Aleacin. 22

    Figura 4. Diferentes tipos de polvo (A) aleado mecnicamente, (B)

    Atomizado por Gas. 25

    Figura 5. Proceso de Compactacin de Doble Efecto de los Polvos

    Aleados. 28

    Figura 6. Proceso de Sinterizado. 29

    Figura 7. Mecanismos de Formacin de A.M. 31

    Figura 8. Molino Planetario. 34

    Figura 9. Molino Planetario del Laboratorio de Mossbauer de la

    Universidad del Valle.. 35

    Figura 10. Principio de Funcionamiento del Molino Planetario. 36

    Figura 11. Molino Tipo Attritor Horizontal. 38

    Figura 12. Molino Tipo Attritor Vertical. 39

    Figura 13. Molino Vibratorio. 40

    Figura 14. Motor de Vibro-Energa. 41

    Figura 15. Modelo Funcional del Molino 50

    Figura 16. Diseo Detallado de las Partes que Componen el Molino de

    Vibro-Energa. 53

    Figura 17. Sistema de Transmisin. 54

    Figura 18. Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario. 56

    Figura 19. Dimensiones de la Base Planetaria en mm. 58

    Figura 20. Diagrama de Fuerzas del Sistema de Molienda. 58

  • 4

    Figura 21. Grafica torque de carga Vs Tiempo. 61

    Figura 22. Ensamble Acople Base Gua. 65

    Figura 23. Anlisis Columna por software. 66

    Figura 24. Acople Sistema de Transmisin. 73

    Figura 25. Dimensiones Generales de la Polea Transmisora en mm. 75

    Figura 26. Polea de Transmisin. 75

    Figura 27. Buje Estriado. 76

    Figura 28. Geometra y Dimensiones del Resorte Inferior en mm. 90

    Figura 29. Cargas que se Aplican al Soporte. 92

    Figura 30. Anlisis por Software de Algor. 93

    Figura 31. Anlisis del soporte Por software de Ansys 8.0. 95

    Figura 32. Anlisis Desplazamiento en la Componente Z. 97

    Figura 33. Deformacin Total de Soporte. 98

    Figura 34. Explosionado Caja de Rodamientos Lineales. 98

    Figura 35. Acople Caja de Rodamientos Lineales a Soporte. 99

    Figura 36. Acople Eje Estriado 100

    Figura 37. Dimensiones del Acople de Eje Estriado en mm. 101

    Figura 38. Principales Componentes del Sistema Planetario. 105

    Figura 39. Eje Principal. 107

    Figura 40. Geometra y Dimensiones del Eje Principal en mm. 110

    Figura 41. Diagrama de Fuerzas que Actan en el Eje Principal. 111

    Figura 42. Diagramas de Fuerzas Cortantes, Momento Flector y

    Momento Torsor. 112

    Figura 43. Geometra de Polea Base Dimensiones en mm. 121

    Figura 44. Geometra del Soporte Planetario. 122

    Figura 45. Anlisis de la Base Planetaria desarrollado mediante Software

    Algor. 123

  • 5

    Figura 46. Anlisis del Desplazamiento en la Componente Z por

    Algor. 124

    Figura 47. Horquilla Vista de Corte Dimensiones en mm. 126

    Figura 48. Ensamble Cajas de Rodamientos del Sistema Planetario. 127

    Figura 49. Eje del Sistema de Molienda Planetario. 128

    Figura 50. Portajarra de Molienda. 129

    Figura 51. Vista Frontal y Dimensiones del Portajarras en mm. 129

    Figura 52. Modelo Dinmico en Ansys. 131

    Figura 53. Recipiente de Molienda. 132

    Figura 54. Jarra Dimensionada en mm 132

    Figura 55. Tapa Jarra. 133

    Figura 56. Vista Lateral de la Tapa Dimensiones en mm 134

    Figura 57. Dimensiones de la Polea Planetaria en mm. 135

    Figura 58. Accesorios de Seguridad de Jarras. 136

    Figura 59. Componentes Principales del Sistema de Vibracin. 137

    Figura 60. Motor de vibracin. 139

    Figura 61. Complemento casquillo separador de movimiento. 140

    Figura 62. Vista de corte del acople horquilla. 141

    Figura 63. Eje acople aislante Dimensiones en mm. 142

    Figura 64. Acople del subconjunto de Pieza Excntrica. 143

    Figura 65. Pieza Excntrica Dimensiones en mm. 143

    Figura 66. Ensamble Barra y Rotula, Dimensiones en mm. 144

  • 6

    LISTA DE TABLAS

    Pg.

    Tabla 1. Cuadro Comparativo de caractersticas de diferentes Molinos. 43

    Tabla 2. Piezas que Componen el Sistema de Transmisin. 55

    Tabla 3. Lista de Piezas Comerciales del Sistema de Transmisin. 55

    Tabla 4. Clculos requeridos para la Seleccin del motor. 60

    Tabla 5. Caractersticas Tcnicas del Motor Seleccionado Para

    Movimiento Planetario. 63

    Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Variador. 64

    Tabla 7. Propiedades del perfil. 67

    Tabla 8. Caractersticas de la Columna. 67

    Tabla 9. Composicin Qumica del Material Seleccionado para la

    Construccin de la Viga. 70

    Tabla 10. Ficha Tcnica de la Pieza que se Analiz por Pandeo 71

    Tabla 11. Caractersticas del Resorte. 79

    Tabla 12. Coeficiente y Exponentes para el Clculo de la Resistencia del

    Alambre. 82

    Tabla 13. Seleccin del Resorte Inferior y Superior. 91

    Tabla 14. Propiedades del Material Utilizado para Anlisis de Soporte. 94

    Tabla 15. Propiedades del Material Utilizado en el Anlisis del Soporte en

    Ansys. 96

    Tabla 16. Coeficientes que Dependen del Material de Trabajo. 102

    Tabla 17. Condiciones de Carga para Optimizar el Funcionamiento. 102

    Tabla 18. Perfiles Acanalados con Apoyo Amplio Centrado por los

    Flancos UNI 223. 103

  • 7

    Tabla 19. Piezas que Componen el Sistema Planetario. 106

    Tabla 20. Accesorios de Fijacin y Elementos Rodantes del Sistema

    Planetario. 106

    Tabla 21. Resultados de los Anlisis de las Cargas sobre el Eje. 112

    Tabla 22. Principales Componentes del Sistema Generador de la

    Vibracin 137

    Tabla 23. Elementos Rodantes y Piezas Comerciales del Sistema de

    Vibracin 138

    Tabla 24. Propiedades, Resultados y Caractersticas del Material a

    Analizar. 145

  • 8

    LISTA DE ANEXOS

    Anexo A: Curvas de condicin contra el pandeo crtico para resortes y Diversas dimensiones de un resorte helicoidal de compresin en etapa de trabajo. ANEXO B: Cotizaciones

    ANEXO C: Calculo vida til de los rodamientos.

    ANEXO D: Modelado dinmico general del sistema.

    ANEXO E Modelado dinmico del sistema de molienda.

    ANEXO F: Modelado dinmico del aislamiento del sistema vibratorio.

    ANEXO G: Planos del Molino de Bolas.

  • 9

    RESUMEN

    Este documento contiene el proceso detallado del diseo de un molino

    de alta energa, que combina el movimiento planetario y vibratorio

    conferido a recipientes, que contienen materiales en polvo, para

    utilizarlos en la produccin de aleaciones y materiales compuestos. Se

    espera que la combinacin de dos movimientos, produzca la suficiente

    energa por la cantidad de movimiento, que se le puede imprimir a los

    elementos moledores. Adems el molino es de alta capacidad por la

    cantidad de masa que se puede llegar a moler en una sola tanda,

    comparada con la capacidad de los molinos comerciales para

    laboratorios. En su diseo se consideraron dos principios bsicos que

    son, movimiento centrfugo y movimiento axial vibratorio de los

    recipientes que contienen los polvos, donde la combinacin de los dos

    movimientos garantiza aceleraciones inducidas sobre los cuerpos

    moledores superiores a seis (6) veces la gravedad y a su vez

    propiedades excepcionales en la aleacin mecnica final, comparadas

    con las obtenidas por el proceso normal de metalurgia de polvos.

    Se realiz el diseo conceptual de todos los mecanismos y partes que

    componen el molino, as como la simulacin de la dinmica del conjunto

    y el anlisis estructural de los componentes esenciales. Durante el

    proceso de diseo se soport el trabajo con software especializado, as,

    por ejemplo, para el modelado de las piezas y el conjunto se utiliz el

  • 10

    Solid Edge; para el anlisis estructural se utiliz el software Algor y

    Ansys, para la simulacin dinmica se uso el Working Model. La

    utilizacin de estas herramientas computacionales se aplic con criterios

    de diseo de Ingeniera Inversa.

  • 11

    INTRODUCCIN

    Ha sido de vital inters a lo largo de la evolucin de los materiales, que

    sus propiedades sean autosuficientes a la hora de ser exigidos en cada

    una de las aplicaciones prcticas donde son utilizados, especialmente en

    cuanto a combinacin de esfuerzos se refiere. Los procesos de

    mejoramiento de elementos de mquinas se han visto estancados en su

    gran mayora, no por la formulacin de enunciados que describan sus

    respuestas a elevadas exigencias sino por la tarda consecucin de

    materiales que soporten altas cargas a altas temperaturas, con tamaos

    nominales reducidos y que conserven los factores de seguridad.

    Los materiales compuestos son una alternativa para suplir tales

    exigencias y su produccin a travs de los procesos pulvimetalrgicos y

    sus novedosas variaciones hacen que se orienten las investigaciones no

    solamente hacia su obtencin sino hacia su produccin, porque se

    reconoce la influencia del proceso productivo en las propiedades del

    material.

    El enfoque en la pulvimetalrgia se basa en la aleacin mecnica

    (A.M), cuyo principal atractivo radica en que la aleacin se produce en

    estado slido y genera configuraciones con estructuras desde materiales

    muy finos hasta nanoestructurados y desde materiales cristalinos hasta

    los amorfos que ayudan a mejorar la tenacidad en el material final o

    aleado.

  • 12

    Para explicar un poco este proceso se debe imaginar cantidades

    especficas de material en forma de polvos, con un tamao entre 200m

    y 300m, que se constituye en la materia base; cuerpos moledores o

    bolas de acero especiales que sern los agentes transmisores de la

    energa para consolidar la aleacin, todos estos elementos confinados en

    un recipiente al vacio o con una atmsfera inerte que reciben la energa

    motriz.

    La energa rotacional entregada al recipiente se transmite rpidamente a

    los cuerpos moledores que la transforman en energa de impacto que a

    su vez ser entregada por estos al material base, el continuo choque del

    material con las bolas, bolas-bolas y bolas-recipiente hacen que

    constantemente el material est sometido a fractura y soldadura lo que

    configura el mecanismo por el cual el material base genera la Aleacin

    Mecnica A.M.

    Los conceptos bsicos de este y otros procesos asociados se presentarn

    en los captulos siguientes profundizando su rigurosidad terica.

    Para el desarrollo del proyecto se traz como objetivo principal, que la

    produccin de material final aleado debera superar la cantidad obtenida

    por molinos de caractersticas similares, ya que su aplicacin aunque

    ser a nivel de laboratorio debe garantizar la posibilidad de obtener

    piezas compactadas con aleacin mecnica para ser evaluadas como

    elementos mecnicos. La estabilidad, viabilidad de construccin con

    recursos de la regin y bajo costo asociado, tambin se convierten en

    variables a tener en cuenta durante todo el proceso del diseo.

  • 13

    En el capitulo dos 2 se plantea el problema a resolver. El capitulo tres 3

    se dedica a introducir los conceptos bsicos de los procesos

    pulvimetalrgicos.

    En el captulo cuatro 4 se plantean las caractersticas de los diferentes

    tipos de molinos para la produccin de aleaciones que existen en el

    comercio, se hace una breve descripcin de cada tipo enunciando

    ventajas y desventajas, capacidades, etc. Con estos conocimientos, se

    selecciona el prototipo a construir, se hace un anlisis de alternativas y

    se ajustan los cambios necesarios como son, dimensionar y redisear

    las piezas que cumplan con las exigencias para la construccin del

    equipo, las disposiciones finales acorde a los requerimientos dados y

    consideraciones de consecucin local de los elementos y sus costos.

    En el capitulo 5 se presenta el proceso de diseo, detallando cada uno

    de los componentes; su funcin, estructura y en lo posible se consignan

    los clculos de cada uno de los mecanismos importantes que se han

    implementado en el desarrollo de este proyecto.

    Las herramientas computacionales las pautas de diseo de Ingeniera

    Inversa y Quality Function Deployment (QFD) han servido para guiar el

    diseo, dimensionamiento de las piezas, el material de las mismas.

    Para el anlisis, el equipo se ha dividido en sistemas diferentes

    facilitando el modelado y por consecuencia el ensamble (con la ayuda

    del software) que como un todo, combina los movimientos de rotacin y

    vibracin.

  • 14

    Esta iniciativa se trabaj en el marco del inicio de una nueva lnea de

    investigacin en la Universidad Autnoma de Occidente, en conjunto

    con la Universidad del Valle, Universidad Santiago de Cali y

    Conciencias1 a travs del Grupo Ciencia e Ingeniera de Materiales

    (GCIM), debido a que la metalurgia de polvos se proyecta como una

    tcnica novedosa y al alcance de nuestro medio.

    1Este documento es resultado del trabajo realizado en el proyecto titulado SINTESIS Y CARACTERIZACION DE NUEVOS MATERIALES UTILIZANDO TECNOLOGIA DE POLVOS aprobado por COLCIENCIAS mediante contrato No 427-2003, y por la Vicerrectora de Investigaciones y Desarrollo Tecnolgico de La Universidad Autnoma de Occidente con Resolucin No 6240 del Consejo Acadmico.

  • 15

    1 OBJETIVOS

    1.1 OBJETIVO GENERAL

    Disear un molino de alta energa y alta capacidad para la produccin de

    Aleacin Mecnica, cuyo producto final est entre 1500 y 2000 gramos

    de polvos aleados.

    1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS Seleccionar el tipo de molino a disear que cumpla con las

    especificaciones del objetivo general.

    Realizar la seleccin de materiales, accesorios y elementos de

    mquina necesarios para la construccin del sistema.

    Seleccionar la capacidad nominal del molino teniendo en cuenta

    todas las variables que intervienen en este proceso.

    Disear jarras o tazones de molienda para cumplir con el

    requerimiento.

    Seleccionar relaciones apropiadas entre material y medios

    moledores para la capacidad del molino.

    Simular el desempeo del sistema utilizando software disponible

    en la Universidad Autnoma de Occidente (UAO), Solid-Edge, Solid

    Work, Working Model, Ansys y Algor.

    Seleccionar velocidades de trabajo y relaciones de transmisin

    para el sistema.

    Seleccionar motor(es) para la generacin de movimiento.

  • 16

    2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

    La inversin que debe hacerse en nuestros pases latinoamericanos para

    adquirir equipos de tecnologa es alta, pero la idea de estos mercados es

    ser competitivos con la lite mundial, partiendo de la generacin de

    tecnologa equivalente con elementos que se pueden conseguir en el

    entorno.

    Por esta razn la Universidad Autnoma de Occidente, el Grupo de

    Investigacin Ciencia e Ingeniera de Materiales en convenio con la

    Universidad del Valle y la Universidad Santiago de Cali se han unido

    para fortalecer la investigacin presentando un proyecto nuevo e

    innovador, basado en la construccin de un molino pulvimetalrgico

    para la produccin de materiales compuestos mediante la tcnica de

    aleamiento mecnico, el proyecto que se realiza pretende aportar un

    equipo sencillo y de fcil escalamiento a nivel industrial.

    En nuestro pas Colombia no existe una lnea de produccin de

    materiales de tipo nanopartculado a una escala que permita la

    obtencin de piezas mecnicas a partir de los mismos.

  • 17

    Por medio de tcnicas y procesos pulvimetalrgicos, apoyados en

    experiencias de lneas de investigacin en materiales tanto nacionales

    como extranjeras, se tiene la certeza que se pueden obtener nuevos y

    mejores materiales aplicando estos procedimientos, adems de

    encontrarse que muchos de los equipos utilizados para tal fin pueden

    construirse con elementos comerciales.

    Es ah, donde se encuentra una oportunidad para la viabilidad de este

    proyecto y nace el inters en el estudio de nuevos materiales,

    motivando adems la apertura de nuevas lneas de investigacin en la

    Universidad Autnoma de Occidente y en la regin.

    El proceso de A.M. requiere la aplicacin de gran cantidad de energa

    para inducir la combinacin homognea de material, de donde se

    desprende el trmino Alta Energa y la obtencin de la cantidad de

    material final se denomina Capacidad. Teniendo en cuenta lo anterior

    se plantea la CONSTRUCCIN DE UN MOLINO DE BOLAS DE ALTA

    ENERGA Y ALTA CAPACIDAD en sntesis se requiere un sistema

    mecnico eficiente, con una baja inversin econmica, capaz de producir

    A.M. en cantidades que superen la produccin a nivel de laboratorio y

    totalmente ensamblado con piezas que se pueden adquirir en la

    industria del Valle del Cauca.

  • 18

    3 CONCEPTOS GENERALES

    3.1 PULVIMETALRGIA

    Histricamente, las aleaciones se preparaban mezclando los materiales

    fundidos, recientemente, la pulvimetalrgia ha alcanzado gran

    importancia en la preparacin de aleaciones con caractersticas

    especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los

    materiales secos en polvo, prensndolos relativamente a alta presin y

    calentndolos despus a temperaturas justo por debajo de sus puntos

    de fusin, este tipo de material obtenido es muy utilizado para la

    fabricacin de piezas pequeas en gran cantidad.

    Esta prctica aparece por necesidad tecnolgica, adems es un proceso

    econmico, ya que existe diversidad de procesos y equipos, para reducir

    los materiales a polvos, que resultan ser de fcil aplicacin y fabricacin.

    3.1.1. Procesos para la Produccin de Polvos Metlicos

    El tamao adecuado de las partculas de polvo es del orden de uno a

    varios cientos de micrmetros, la mayora de los polvos se fabrican por

    fragmentacin de un metal fundido, como ocurre en la atomizacin, en

    la que colisionan corrientes del metal con chorros de agua o gas

    estrechos.

  • 19

    Otros polvos se obtienen moliendo o triturando de alguna forma trozos

    de metal. Tambin pueden producirse qumicamente, reduciendo a

    metal xidos en polvo o precipitando partculas metlicas en una

    solucin acuosa.

    3.1.1.1 Por Atomizacin: En la Figura 1 se muestra el proceso, el

    sistema consta de un compartimiento en la parte superior donde el

    metal fundido es depositado, por medio de un ducto pasa a una

    segunda cmara donde se aprecia que se inyecta por los costados un

    fluido, generalmente agua un gas noble, que causan un choque

    trmico bastante elevado entre fluido y metal originando un rpido

    enfriamiento y la formacin de polvos metlicos que son depositados

    en la parte inferior del tazn.

    Figura 1. Atomizacin por Agua y Gas.

    Cuando la atomizacin se realiza por agua lo ms probable que ocurra

    es que el polvo se oxide, por lo tanto debe hacerse un tratamiento para

  • 20

    evitar o minimizar este efecto, los polvos al entrar en contacto con el

    fluido se enfran rpidamente producindose estructuras muy finas,

    fuera del equilibrio. Si el fluido es un gas noble la oxidacin es mnima y

    los polvos toman formas esfricas.

    3.1.1.2 Reduccin Qumica: Este proceso es el ms utilizado para

    la produccin de polvo de hierro. La materia prima seleccionada es

    aplastada, mezclada con carbn y pasada por un horno continuo en

    donde reacciona. Bsicamente consiste en someter el material a la

    accin de sucesivos ataques qumicos, generando mecanismos de

    oxidacin y reduccin lo que deja una especie de torta esponjada de

    hierro. Despus se aplasta nuevamente, se separan los materiales no

    metlicos y se tamiza para producir el polvo. Debido a que no se hace

    ninguna refinacin, la pureza del polvo es totalmente dependiente de

    la pureza de la materia prima.

    3.1.1.3 Electrolisis: Escogiendo las condiciones apropiadas posicin

    y fuerza del electrolito, corriente, densidad, temperatura, etc., muchos

    metales pueden convertirse en polvos metlicos. La electrlisis es la

    produccin de una reaccin redox no espontnea, mediante el paso de

    una corriente elctrica. Es por lo tanto el proceso inverso al que ocurre

    en una pila elctrica, y se lleva a cabo en un contenedor llamado cuba

    electroltica.

  • 21

    Figura 2. Proceso de Electrolisis.2

    Este proceso puede requerir de otros procesos como secado, aleado,

    lavado, etc., para lograr las propiedades deseadas. Se usa por lo

    general para producir polvo de Cobre, pero tambin se puede utilizar

    para la produccin de polvo de Cromo y Manganeso. Dos de las mayores

    cualidades de este proceso son la alta pureza y la alta densidad

    alcanzada en los polvos.

    La principal bondad de este mtodo es que no es necesario aumentar la

    temperatura para que la reaccin tenga lugar, evitndose prdidas

    energticas y reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los

    procesos ms empleados en diferentes reas, como la obtencin de

    elementos a partir de compuestos como cloro, hidrgeno, oxgeno, la

    purificacin de metales, el mineral metlico se disuelve en cido,

    2 [Wikipedia la Enciclopedia Libre], [Citado: 13-06-2005]. Disponible en Internet: http:// http://

    http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolisis

  • 22

    obtenindose por electrlisis el metal puro o la realizacin de

    recubrimientos metlicos protectores.

    3.2 ALEACIN MECNICA

    La A.M. es una tcnica novedosa de procesamiento en estado slido que

    permite producir aleaciones a partir de la mezcla de polvos elementales

    o polvos prealeados. Este proceso se lleva a cabo en molinos de alta

    energa por lo general de bolas.

    Figura 3. Tcnica de Aleacin.

    (A)

    (B)

    (C)

    La A.M. parte de polvos elementales Figura 3(A) que se introducen en

    mquinas pulverizadoras, donde se tienen medios moledores Figura

    3(B) generalmente bolas de acero que involucran la repetida

    deformacin, fractura y soldadura continua de partculas al estar sujetas

    a una molienda constante, adems de inyectarse gas inerte dentro del

    contenedor Figura 3(C). A partir de este proceso se obtienen materiales

    Contenedor Medios Moledores Gases de Proteccin

  • 23

    avanzados, con mejores propiedades mecnicas debido al enfriamiento

    micro estructural a que son llevados los polvos de elementos metlicos,

    no metlico o compuesto. Por esta tcnica se obtienen aleaciones en

    estado slido, por lo tanto para que se produzca una buena aleacin

    mecnica debe haber una entrada de energa de impacto alta, entre

    materiales y medios moledores.

    El proceso de A.M. fue desarrollado alrededor de 1966 por el laboratorio

    de investigaciones INCOs Paul D. Merica3, para producir una

    dispersin de xidos en superaleaciones a base hierro y nquel con el fin

    de aumentar su resistencia mecnica a altas temperaturas. Para ello

    Jhon Benjamin y sus colaboradores emplearon un proceso energtico de

    molienda; el material as producido se utiliz por primera vez, en la

    fabricacin de alabes de turbinas a gas, obteniendo buenos resultados.

    El A.M. tiene un objetivo netamente prctico, producir polvos de

    aleaciones complejas (superaleaciones) a base Nquel, que al combinarla

    con un refuerzo por dispersin de oxido produjera un endurecimiento

    por precipitacin.

    Aunque en 1976 ya se haban dado a conocer evidencias experimentales

    que la aleacin se produca a nivel atmico y con ello la posibilidad de

    formar ciertos materiales metlicos con propiedades nicas, la mayora

    de las investigaciones bsicas sobre el proceso sigui concentrada por

    muchos aos en las aleaciones reforzadas por dispersin de xidos va

    A.M.

    3 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg. 1

  • 24

    El inters generalizado en torno a este proceso, se inicio a comienzos de

    los aos 80, ello fue motivado en gran parte por el descubrimiento de

    que a travs de esta tcnica se podan obtener aleaciones amorfas a

    partir de una mezcla de polvos elementales. Otro incentivo para ello, fue

    la necesidad creciente de producir compuestos ntermetlicos, as como

    otras aleaciones que resultaban difciles de producir por mtodos

    convencionales. Por ultimo, el A.M es un proceso posible de ser

    adaptado a escala industrial para la produccin de aleaciones en polvo.

    Durante estas dos ltimas dcadas se han producido por medio de esta

    tcnica, una gran variedad de aleaciones de polvo, tales como

    soluciones slidas extendidas, fases amorfas, compuestos ntermetlicos

    y cuasicristales. Adems, se han desarrollado diversas aplicaciones entre

    las principales se tiene la induccin en reacciones qumicas, que a su vez

    influyen el proceso mismo y el producto final.

    Por ello, no es de extraar que las aplicaciones del A.M se hayan

    extendido en la actualidad al procesamiento de materiales cermicos y

    polmeros, gracias a los numerosos trabajos4 dedicados a modelar el

    proceso de molienda, se conocen los distintos parmetros como la

    energa que entrega el molino, numero de bolas y material, tipos de

    impacto que se presentan en el contenedor, etc. utilizados en la

    eficiencia del proceso.

    Los esfuerzos por explicar la formacin de fases por medio del A.M, no

    han tenido la misma suerte. Diversos modelos han sido propuestos para

    4 CHATTOPADHYAY, P. P.; MANNA, I.; TALAPATRA, S.; PABI, S. K. A mathematical analysis of

    milling mechanics in a planetary ball mill. Publishers 2001; Paper 68.

  • 25

    ello, pero no existen an una descripcin microscpica nica que

    explique todos los fenmenos observados experimentalmente. Sin

    embargo, recientes evidencias experimentales favorecen a un modelo

    basado en la cintica de las dislocaciones y en los procesos difusivos a lo

    largo de sus ncleos.

    Figura 4. Diferentes tipos de polvo (A) aleado mecnicamente, (B) Atomizado por Gas.5

    En la Figura 4 se muestra la diferencia entre el aleado mecnico y la

    atomizacin de los polvos por medio de gas, en la Figura 4(A) la

    deformacin que se produce por el impacto del polvo con los medios

    moledores hace que tanto la superficie como el ncleo estn compactos

    entre si y su estructura irregular. Mientras por el atomizado en la Figura

    4(B) se muestra una geometra esfrica homognea en toda la

    superficie, pero dada la operacin del equipo la compactacin no es muy

    resistente. El polvo aleado mecnicamente, puede ser moldeado y

    tratado trmicamente para producir piezas tiles, o bien, puede ser

    usado como recubrimiento, catalizador o conductor.

    5 RUIZ, D. La Aleacin Mecnica como Tcnica de Obtencin de Materiales Avanzados. Ciudad de Cali-

    Universidad del Valle, ao 2004.

  • 26

    Dentro del desarrollo del proyecto se encontr que en Chile, en la

    Universidad Santiago de Chile, en el Departamento de Fsica se trabaja

    en A.M, donde existe un programa ofrecido a sus estudiantes sobre el

    tema, se investiga sobre superaleaciones, soluciones slidas,

    compuestos intermetlicos, amorfos, soluciones slidas extendidas,

    materiales magnticos y superconductores, gracias al desarrollo de los

    molinos de bolas de alta energa pero a diferencia del propuesto en este

    trabajo son de baja capacidad a nivel de laboratorio.

    En Colombia, la Universidad Industrial de Santander (UIS), se encuentra

    desarrollando un modelo experimental de molino de alta energa de tipo

    Attritor con la colaboracin del Dr. lvaro San Martn de la Universidad

    Santiago de Chile, y algunos contactos con la Universidad del Valle.

    As mismo, el Departamento de Materiales Compuestos de la

    Universidad del Valle una de las Instituciones que ms trabajos ha

    realizado en la regin del Valle del Cauca sobre este tipo de

    procedimiento, cuenta con un molino tipo planetario de alta energa pero

    de baja capacidad, para muestras entre 300 gr. y 400 gr.

    3.3 POSTPROCESAMIENTO DE LOS POLVOS METALRGICOS

    DE ALEACIN

    Despus de obtenidos los polvos metalrgicos, son extrados a un

    compartimiento donde se analizan sus propiedades con equipos

    especializados para caracterizar materiales, estos por lo general se

    realizan por difraccin de rayos X, y microscopia electrnica de barrido.

  • 27

    La caracterizacin por microscopia electrnica de barrido permite

    analizar la morfologa y determinar composicin qumica de los polvos,

    la estructura cristalina y la orientacin de los granos del metal se realiza

    mediante difraccin de rayos x. Con este procedimiento, se puede

    identificar, descubrir las posibles impurezas y comprobar la eficacia de

    los polvos para realizar tratamientos trmicos. Estas pruebas se hacen

    con el objetivo de obtener y verificar algunas de las propiedades

    mecnicas de la aleacin.

    La difraccin de rayos X, consiste en pasar un haz de luz a travs de un

    espcimen de una sustancia cristalina, donde se obtienen ciertos

    patrones que pueden interpretarse para determinar la estructura interna

    de los cristales.

    3.3.1 Proceso de Compactacin

    Consiste en llevar los polvos a un recipiente llamado matriz, donde se

    introducen a presin, por lo general en fro, con la forma apropiada para

    formar una pastilla cohesionada, esta matriz tiene la forma de la pieza y

    debe agregrsele aglutinantes, en el caso del compactado se usa aceite

    lubricado en grafito, para evitar la corrosin, adems no permite que los

    polvos se adhieran a las paredes de la misma, haciendo ms fcil la

    extraccin del compartimiento, sin perdidas de geometra.

    Los polvos toman la forma de la matriz a causa del aprisionamiento

    inducido por uno o dos pistones que pueden ser accionados neumtica o

  • 28

    manualmente, el objetivo principal es evitar espacios para que el

    material quede completamente compactado.

    Figura 5. Proceso de Compactacin de Doble Efecto de los Polvos Aleados.

    El proceso de compactacin inicia con la alimentacin del polvo metlico

    hacia la matriz, este es conducido por un patn de descarga Figuras

    5(A y B); en el depsito se encuentra uno o dos punzones que son

    accionados por mquinas hidrulicas o neumticas, Figuras 5(C y D)

    estos aplican una presin constante. Despus de ejecutada esta accin

    el punzn inferior empuja el compactado Figura 5(E) y se repite el

    proceso para la produccin de otras piezas.

    Las propiedades del compacto en verde, son bajas no es resistente a

    cargas y es necesario someterlo a otro proceso que es llamado

    sinterizado.

  • 29

    3.3.2 Proceso de Sinterizado

    Este proceso se ejecuta despus de la compactacin de la pieza; sta se

    coloca en un horno con atmsfera controlada para evitar la corrosin del

    material, al elevar la temperatura. Con este proceso se crean fuertes

    enlaces entre las partculas metlicas; las dimensiones, densidad y

    propiedades mecnicas se pueden modificar mediante procesos

    adicionales.

    La sinterizacin se prefiere a otros mtodos de fabricacin como el

    fundido ya que no necesita un mecanizado que es costoso como ocurre

    en el caso de piezas mecnicas pequeas o cuando al producto se le

    exige una calidad que slo se obtiene si se fabrica a partir de polvos

    como ocurre con las herramientas de carburo, los cojinetes porosos o

    los filtros.

    Figura 6. Proceso de Sinterizado6.

    6 [Shin-Etsu Rare Herat Magnets], Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. [Citado 13-06-2005]. Disponible en

    Internet: http://www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp/e/masspro/index.shtml

  • 30

    En la Figura 6 se muestra el compacto en verde que se introduce en un

    horno de atmsfera controlada, en la parte exterior se detalla el

    mecanismo de inyeccin de gas inerte, el control del horno se coloca a

    una temperatura por debajo del punto de fusin del material

    mayoritario. Con este proceso se tienen piezas pequeas como piones,

    bielas y dispositivos utilizados en la industria aeronutica y automotriz.

  • 31

    4 MOLINOS DE BOLAS

    Por lo general la A.M. se produce en dispositivos donde se induce una

    fuerza de impacto o friccin a un material, para generar la energa

    necesaria para consolidar la aleacin.

    La mezcla es introducida en un molino de bolas, donde las partculas de

    polvo al estar sujetas a choques se deforman, se rompen se comprimen

    unas con otras, hasta cuando forman una masa de soldadura entre

    estas mezclas, obteniendo A.M.

    Figura 7. Mecanismos de Formacin de A.M.

    (a) (b)

    (c)

    (d)

    (e)

  • 32

    En las Figuras 7 se muestra la disposicin de los mecanismos para

    obtener la aleacin mecnica, el recipiente contendr polvos a alear y

    medios moledores, estos se encuentran confinados en de atmsfera de

    gas inerte para evitar la oxidacin Figura 7(a), este conjunto se

    introduce a un mecanismo que se encargara de entregar la energa para

    producir la aleacin Figura 7(b y c), despus son retirados los polvos

    aleados y las bolas, esta se hace en una atmsfera limpia y controlada

    Figura 7(d y e).

    4.1 TIPOS DE MOLINO En las siguientes lneas se detallan los tipos de molinos7 que en la

    actualidad se utilizan para la obtencin de A.M., mencionando sus

    principales ventajas y desventajas con el objeto de justificar la seleccin

    del equipo que se construir.

    El proceso de A.M. es producido por diferentes aparatos o dispositivos

    algunos de los ms reconocidos son los molinos Attritor, molinos

    planetarios, molino de vibro energa, pero todos con la misma finalidad

    producir aleacin mecnica.

    7 SURYANARAYANA, C. Mechanical Alloying and Milling, Department of Metallurgical and Engineering.

  • 33

    4.1.1 Molino Planetario

    Este tipo de molino es ampliamente utilizado para la produccin de

    polvos aleados y son generalmente fabricados en Europa.8 Por lo general

    son de alta energa y tienen cuerpos moledores esfricos, poseen

    normalmente entre 2 y 4 jarras, ver Figura 8, donde se deposita el

    material a pulverizar, la aleacin se da por impacto, agotamiento o

    accin combinada.

    La fuerza centrfuga producida por la rotacin de los recipientes de

    molienda estn soportados por un disco rotatorio y un mecanismo

    especial hace que ellos giren alrededor de sus propios ejes. En estos

    recipientes se encuentran los materiales a alear que giran a travs de

    un eje central, las bolas contenidas en los tazones ruedan alrededor de

    sus paredes, por impacto entre medios moledores y material a alear se

    produce la A.M.

    Los molinos de este tipo se caracterizan por entregar alta energa de

    impacto9, tiempos de molienda cortos debido a la alta frecuencia de

    impacto que causa un incremento rpido de la temperatura,

    generalmente es el ms utilizado para producir aleacin.

    8 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 11-13

    9SCHILZ, J. RIFFEL, M. PIXIUS, K. MEYER, H, J. Synthesis of Thermoelectric Materials by Mechanical Alloying in Planetary Ball Mills. Publishers 1999, paper 105, Pg 150.

  • 34

    Cabe destacar que cuando se trata de transmitir alta energa de

    impacto, bajo un sistema mecnico de mediana sencillez, este se

    convierte en la primera opcin para generarlo.

    De acuerdo a lo planteado por Li Lu y Man10, en experimentos que ha

    realizado en diferentes molinos se ha estimado que la alta frecuencia de

    impacto que experimentan los planetarios produce temperatura del

    orden de 393K y se alcanza durante una molienda de 30 a 60 minutos.

    Figura 8. Molino Planetario. 11

    En las Figura 8 se muestra un molino pulverizador de 2 jarras y sus

    respectivos accesorios de seguridad, en este tipo de molino se pueden

    10MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 12-13. 11[Equipaments del Grup de Recerca en Materials], [ Citado 13-06-2005], Disponible en Internet: http://copernic.udg.es/GRM/equipament/moli-boles.jpg

  • 35

    combinar diferentes materiales como zirconio, Cr-Ni acero, carburos de

    tungsteno, y algunos plsticos.12

    Figura 9. Molino Planetario del Laboratorio de Mssbauer de la Universidad del Valle.13.

    En la Figura 9 se muestra el molino planetario adquirido por la

    Universidad del Valle, que tiene las siguientes especificaciones: el

    tamao del grano mximo a introducir en un molino de estas

    caractersticas es de 10m, el volumen de la jarras de molienda es

    aproximadamente 800 a 500ml. El dimetro de las bolas estn en el

    orden de 10 y 30mm, la energa de impacto de un molino de estas

    caractersticas a nivel de laboratorio es 40 veces la aceleracin de la

    gravedad. El dimetro final de material a procesar terminada la etapa de

    molienda es del orden de unos cuantos micrometros.

    12 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, paper 46, Pg. 15

    13Molino planetario. Universidad del Valle. Departamento de Fsica

  • 36

    Figura 10. Principio de Funcionamiento del Molino Planetario.14

    En la Figura 10 se muestra el funcionamiento por medio de engranajes

    de un molino tipo planetario, consiste en la entrada de una energa

    motriz que se transmite del motor al eje central, que es el encargado de

    transmitir esa rotacin a los dems sistemas.

    Entre sus ventajas se encuentran:

    Fcil carga y descarga del material.

    El movimiento planetario es fcil de generar.

    Velocidades de impacto altas.

    Algunas de las desventajas en este molino son:

    Desgaste de las paredes de los recipientes de molienda y bolas,

    causado en ocasiones cuando se tienen velocidades de rotacin altas,

    las bolas ganan velocidad de rotacin pero pierden energa de impacto,

    14 [ Wikipedia The Free Encyclopedia], [Citado 13-06-2005], Disponible en Internet:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing

  • 37

    lo que causa que las bolas giren en una sola pista del recipiente y por lo

    tanto el contenedor sufre un desgaste es esta zona.

    Las velocidades de impacto elevadas desgastan las bolas lo que

    produce una contaminacin de los materiales que se estn aleando.

    En ocasiones cuando no se tiene un control de la velocidad del

    contenedor los medios moledores se quedan girando en la periferia de la

    jarra, afectando la consolidacin de la aleacin.

    4.1.2 Molino Attritor

    De este tipo se pueden encontrar dos opciones, de eje horizontal y de

    eje vertical ver Figuras 11 y 12. Estos molinos cuentan con una cmara

    de molienda donde se depositan tanto material como medios moledores,

    estos se encuentran en contacto directo con el impulsor y paletas, que

    aprovechan la velocidad que entrega el motor y la accin de la

    gravedad, lo que garantiza que las bolas estn en contacto permanente

    entre ellas y el contenedor, el impulsor deben tener un tratamiento

    trmico para el desgaste. En si es un sistema bastante sencillo, pero

    posee desventajas en la carga y descarga del material, y en el sello para

    garantizar que no se pierda el vaco mientras se esta moliendo.

    El concepto ms importante del Attritor es que la entrada de energa es

    utilizada directamente para agitar los medios que permiten moler, y no

    se utiliza ningn sistema para rotar o vibrar algn tipo de tanque que

    origine perdidas de potencia.

  • 38

    Figura 11. Molino Tipo Attritor Horizontal.15

    En relacin con el principio de funcionamiento se puede decir que la

    operacin de un Attritor es simple y eficaz. El material que se moler se

    pone en un tanque inmvil con los medios que muelen. Los materiales y

    los medios entonces son agitados por un eje con brazos, rotando a alta

    velocidad, esto hace que los medios ejerzan fuerzas de alto impacto en

    el material. El resultado final de este proceso eficiente es material

    extremadamente fino, medido en los micrones o en fracciones de

    micrones.

    Se debe tener en cuenta que debido a la concentracin de gran energa

    de impacto se denota un aumento en la temperatura interna del

    sistema, que es contraproducente para la produccin de la aleacin

    mecnica, por lo que el mecanismo debe estar provisto de un sistema

    de refrigeracin capaz de mantener la temperatura interna de manera

    constante y un sistema de aislamiento o de atmsfera controlada que

    permita bajos ndices de contaminacin de la aleacin final.

    15MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 20

  • 39

    En la Figura 12 se muestra la disposicin de un molino tipo Attritor

    vertical, donde el motor es conectado directamente al impulsor que

    proporciona el movimiento de rotacin e impacto a los medios

    moledores.

    Figura 12. Molino Tipo Attritor Vertical.16

    Entre las ventajas que se encontraron en este dispositivo de molienda se

    tiene:

    Gran velocidad de impacto entre el impulsor y medios moledores.

    Fcil construccin.

    Las desventajas que se encontraron en este tipo de mecanismo son:

    El sello para mantener el vacio.

    Altas temperaturas de generacin.

    16 [Union Proccess], Union Proccess, [Citado 13-06-2005]. Disponible en Internet:

    www.unionprocess.com

  • 40

    Prdida abundante del material a alear dentro del tazn.

    Desgaste de impulsores y bolas.

    Presenta dificultades para la descarga del material.

    Contaminacin del material a alear por desgaste de los medios

    moledores e impulsor.

    4.1.3 Molino Vibratorio

    Este sistema aprovecha la vibracin para desempear su trabajo, es

    importante la accin tridimensional ya que produce un movimiento

    exacto, de alta frecuencia y se puede moler una mayor variedad de

    materiales a tamaos de partcula cercanas del orden del micrn,

    gracias a que combina movimiento centrfugo y axial, se garantiza una

    molienda homognea convirtindose en equipos de alta eficiencia, ya

    que posee menor cantidad de elementos mviles, que se refleja en

    bajos costos de mantenimiento. Su funcionamiento consiste en agitar la

    carga de polvos y bolas en tres direcciones mutuamente

    perpendiculares, aproximadamente a 1200 r.p.m. (ver Figura 13).

    Figura 13. Molino Vibratorio.17

    17 [Engineering Division], Arachem Progressive o innovative o Dynamic, [Citado 13-06-2005]. Disponible en

    Internet: http://www.arachem.com.my/eng_sweco- grinding.htm

  • 41

    Se usa un motor convencional para lograr la combinacin de los dos

    movimientos, el detalle para la generacin de este es la disposicin de

    contrapesos por fuera de la lnea axial que permiten el desplazamiento

    arriba y abajo. Resalta dentro de las caractersticas de este modelo, la

    alta capacidad de produccin de polvos aleados, ya que su volumen de

    albergue se encuentra entre 1 y 36 lts.

    Figura 14. Motor de Vibro-Energa.18

    En la Figura 14. Se puede detallar los componentes que tiene un motor

    de vibro-energa, donde se observa los contrapesos, ambos por fuera de

    la lnea axial del eje principal, su principal funcin es generar un

    movimiento exacto en tres dimensiones.

    Los resultados que muestran este tipo de molinos de amplitudes de

    vibracin variable y medios moledores de diferentes tamaos hacen que

    18 [Engineering Division], Arachem Progressive o innovative o Dynamic, [Citado 13-06-2005]. Disponible en

    Internet: http://www.arachem.com.my/eng_sweco- grinding.htm

  • 42

    la temperatura que alcanza en el compartimiento sea del orden de los

    473K.19

    Las ventajas que proporciona este mecanismo de molienda son:

    Distribucin uniforme de tamao de partculas.

    Se reducen costos de mantenimiento por poseer menos piezas

    mviles.

    Estos requieren menos entrada de energa que los molinos

    convencionales.

    Pueden moler una gran variedad de materiales a un tamao de

    unos cuantos micrones hasta varios cientos de nanometros.

    Facilidad al muestreo y a la descarga del material.

    Las principales desventajas de este mecanismo son:

    Contaminacin del material.

    Sistema complejo para su construccin.

    19MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 43-44.

  • 43

    4.2 EVALUACIN DE LAS ALTERNATIVAS De acuerdo a lo planteado en el capitulo cuatro, numeral 4.1 donde se

    mencionan los principales mecanismos utilizados para producir aleacin

    mecnica, se ha realizado un cuadro comparativo donde se muestran las

    principales ventajas y desventajas, teniendo en cuenta los costos que

    conllevan su construccin, de esta manera se determinar cual de todos

    los dispositivo es el mas adecuado para implementar en este diseo que

    se ha propuesto.

    Tabla 1. Cuadro Comparativo de caractersticas de diferentes Molinos.

    En la Tabla 1 se muestra un cuadro comparativo de las caractersticas

    de los diferentes molinos, teniendo en cuenta los requerimientos para el

    diseo del mismo, adems que las piezas se encuentren a disposicin en

    el mercado nacional. En este cuadro se ha agregado la alternativa de

    combinar dos movimientos que es una parte innovadora en el diseo.

  • 44

    4.2.1 Conclusiones

    Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas que ofrecen los molinos

    para la produccin de aleacin mecnica se ha concertado en combinar

    dos movimientos, ya que es la alternativa ms viable y acorde al

    presupuesto que se tiene. Como se mencion anteriormente se cuenta

    con un molino planetario, que aporta una gua de referencia si se desea

    seguir el modelo, este tipo de molino por ser de fcil generacin de

    movimiento planetario se implementar al diseo, combinndolo con el

    movimiento de vibracin, que elimina la desventaja que el movimiento

    de rotacin genera, este sacar las bolas o medios moledores de la

    periferia cuando se alcancen velocidades de rotacin altas.

  • 45

    5 PROCESO DE DISEO

    5.1 RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD A travs de los procesos de formacin superior se ha conceptuado como

    de gran importancia los desarrollos generados en los centros docentes,

    como un potencial para solucionar problemas en la industria local.

    En nuestra regin del Valle del Cauca, como zona de gran empuje

    industrial para Colombia, donde uno de sus sectores productivos ms

    importantes es el procesamiento de materiales a travs de sus PYMES

    en metalmecnica, con gran perspectiva se reconoce la apertura de

    lneas investigativas en la produccin a mediana escala de piezas

    mecnicas que superen en cuanto a propiedades a las que se producen

    en la actualidad.

    Por tal inquietud nacen una serie de proyectos presentados a

    COLCIENCIAS, y aprobados por este ente estatal, con el objetivo de

    integrar esfuerzos de las diferentes instituciones para satisfacer la

    necesidad planteada.

  • 46

    El fortalecimiento de los laboratorios del rea de Mecnica de Slidos y

    Materiales de las Universidades Autnoma de Occidente, Universidad del

    Valle y Universidad Santiago de Cali, se hace necesaria para tal fin,

    adems de la integracin de las mismas en cada uno de los procesos de

    tipo investigativo en el rea.

    En estas universidades se cimentara a partir de este tipo de trabajos la

    participacin de los estudiantes, profesores y asesores en la aplicacin

    de los conocimientos adquiridos a travs de carreras afines con el tema

    y los procesos de investigacin.

    Por tal razn una de la formas de reducir los costos en inversin y que

    estos remanentes puedan concentrarse en la compra de otros equipos,

    el desarrollo de estos deber realizarse en cuanto sea posible a travs

    de los procesos formativos como estudios de pregrado, maestra y

    doctorado.

    En consecuencia, la Universidad Autnoma de Occidente por sus

    fortalezas en personal y apoyos en herramientas computacionales tipo

    CAD y CAE se comprometieron a disear y construir un molino de bolas

    de alta energa y alta capacidad como aporte a la investigacin y

    fortalecimiento de los laboratorios de tipo integrado con grupos de

    investigacin de otros centros docentes incluyendo el SENA.

  • 47

    5.2 ESPECFICACIONES Y REQUERIMIENTOS 5.2.1 Capacidad del Molino

    Se requiere que el molino produzca un minino de dos kilogramos de

    material aleado, por cada contenedor se especifica un volumen de un

    litro. La especificacin inicial es que por cada contenedor se obtengan

    0.5Kg de polvos aleados. Por lo tanto el nmero de jarras con que se

    contar en el sistema ser de cuatro para satisfacer dicho

    requerimiento.

    Las relaciones entre bolas y polvo mas usadas son 10:1, 20:1y 30:120.

    En este caso se utilizar la relacin de 10:1 y 20:1, esta variable se

    estima para evitar incrementos elevados de temperatura; que se

    pueden presentar por un nmero inadecuado de bolas, que se traduce

    en el aumento del nmero de colisiones y el incremento de temperatura

    en el interior del recipiente de molienda.

    5.2.2 Por que Alta Energa?

    Para que un mecanismo de este tipo sea catalogado de alta energa la

    generacin de impacto debe ser elevada y esta se logra por el choque

    que se produce en el compartimiento de molienda, entre bolas-bolas,

    bolas-material y bolas-recipiente.

    20 MAN, O.; LILU. Mechanical Alloying. Londres: Kluwer Academic Publishers 1998, Pg 25.

  • 48

    5.2.3 Sistema de Tipo Funcional

    Se dise teniendo en cuenta parmetros como lo fue las aplicaciones

    del mtodo de ingeniera inversa, adems el ensamble del diseo es

    simple, para facilitar su mantenimiento.

    Las piezas son netamente comerciales en el pas, el sistema es

    totalmente desmontable para mantenimiento y cambio de piezas como

    rodamientos, accesorios de fijacin estos sern calculados para propiciar

    el cambio de estos dispositivos antes de finalizar su vida til.

    5.2.4. Caractersticas del Movimiento Vibratorio

    Para el diseo en la parte de generacin del movimiento de vibracin se

    ha acordado que la amplitud mxima a la cual debe subir y bajar el

    sistema es del orden de 20 a 30 mm, adems se tiene que la frecuencia

    de excitacin debe ser de Hz2 .

    5.3. ESTUDIO DE POSIBILIDADES

    Dados los requerimientos que se exigan en la construccin del molino,

    se present la idea de disear y construir un molino tipo Attritor ya que

    brinda cargas de impacto elevadas, y el diseo brinda facilidades de

    construccin ya que cuenta con un tazn nico dentro del cual se

    realizan todos los procesos, tanto mecnicos como la generacin de

    material final aleado requerido, la construccin de este sistema

  • 49

    resultaba econmico ya que no cuenta con muchas pieza mviles, la

    dificultad que se detect es principalmente la carga y descarga del

    material que deba realizarse por baches, con lo cual se presentara una

    atmsfera contaminante a la que estara sometido el material, otra de

    las dificultades es la perdida de material en la descarga del tazn por

    ser un compartimiento donde no es asequible su manipulacin, el

    impulsor y medios moledores estn sometidos a deformaciones

    constantes por las altas cargas de impacto que se presentan dentro del

    recipiente. De acuerdo a lo mencionado anteriormente se aborto esta

    alternativa.

    La alternativa siguiente en la que se trabaj fue en el sistema

    planetario, teniendo en cuenta que en la Universidad del Valle posee uno

    de estas caractersticas, pero de baja capacidad, adems sirvi de gua

    para el diseo final del molino, la novedad del sistema se basaba en la

    transmisin, la idea era que la transmisin se realizara por medio de

    engranes y una corona, la desventajas que se encontr son los altos

    costos que se presentan en el maquinado tanto de los planetas como de

    la corona, la ventaja de este tipo de transmisin es su confiabilidad y no

    presenta desalineaciones pero el ruido que esta producira durante la

    molienda seria un problema teniendo en cuenta que una molienda puede

    durar hasta 24 horas.

    5.4 METODOLOGA DEL DISEO

    El xito de cualquier diseo depende en parte de la validez y de lo

    apropiado de los modelos de ingeniera que se utilicen para prever y

  • 50

    analizar su comportamiento. La creacin de un modelo de ingeniera til

    para un diseo es probablemente la parte ms difcil y desafiante de

    todo el proceso.

    En cualquier diseo es indispensable seguir unos pasos para tener la

    certeza de la funcionalidad del equipo que se desea construir, en el caso

    del molino adecuar dos movimientos independientes uno del otro es

    difcil, para esto se hizo necesario la construccin de un modelo

    funcional donde simulara la misma situacin.

    Figura 15. Modelo Funcional del Molino

    El modelo funcional es una gran ayuda ya que en este caso gener

    soluciones a los problemas que se haban planteado, adecuar dos

    movimientos independientes y aplicarlos a un equipo que se va a

    construir hace necesario buscar dispositivos que complementen este

  • 51

    requerimiento (separador de movimiento). Observando la viabilidad del

    sistema se opto por disear y posteriormente construir un molino Vibro-

    Planetario. Con base al modelo funcional se plante la necesidad que el

    mecanismo contara con dos motores uno para generar el movimiento

    planetario y el otro para el movimiento de vibracin, se estim que el

    motor de vibracin deba ser soportado por una viga y no por la carcaza,

    el numero de soportes o guas del sistema se concertaron en tres

    barras, para mayor estabilidad.

    Para el diseo del molino Vibro-Planetario se trabaj con herramientas

    computacionales tipo CAD, el software que se us para disear y

    modelar el comportamiento de cada dispositivo fue Solid-Edge, la

    ventaja que proporciona este elemento en el diseo es el ensamble de

    las piezas, las cuales en la construccin se hace mas fcil si se tiene un

    diseo detallado de cada uno de los componentes y sus respectivos

    accesorios de sujecin. El software tipo CAE con que se trabaj para

    modelar los mecanismos fueron: software de Elementos Finitos Algor

    (FEA) y Ansys Worbench, que se emplearon para modelar los soportes y

    columnas en el caso del molino.

    El control del motor generador del movimiento planetario se har por

    medio de un PLC, el cual servirn de apoyo para determinar los tiempos

    efectivos de molienda. Para el movimiento generador de la vibracin se

    contara con un segundo motor el cual se encargara de transmitir el

    torque necesario para que el sistema suba la amplitud de requerimiento,

    por medio de una excntrica.

  • 52

    5.5 DISEO PRELIMINAR Y DESARROLLO

    Un mecanismo de estas caractersticas deben estar sujetos a cambios

    permanentes en el diseo, hoy en da existen mtodos que se

    implementan para optimizar la ejecucin del diseo y construccin de

    cualquier equipo.

    El proceso del diseo del molino se dividi en tres sistemas: el sistema

    de transmisin, sistema generador del movimiento planetario y sistema

    generador del movimiento de vibracin, con el fin de facilitar la

    construccin en el ensamble y desensamble del mismo, de una forma

    rpida y segura, que en las siguientes lneas se nombrar

    detalladamente. Cada una de estas divisiones tiene su propio criterio de

    diseo para luego ser ensamblados entre si. De este modo se han

    planteado los subsistemas que se detallan a continuacin.

    5.6 DISEO DETALLADO

    En esta parte del diseo se realizaron dibujos completos de ingeniera en

    software, como se muestra en la Figura 16, se definieron

    especificaciones de manufactura, el tipo de mecanismo ms adecuado

    para solucionar el problema, etc. De esta manera se planteara la

    seleccin de cada dispositivo, las caractersticas de cada uno de sus

    componentes, donde se realizaran los respectivos clculos para cada

    elemento.

  • 53

    Figura 16. Diseo Detallado de las Partes que Componen el Molino de Vibro-Energa.

    5.6.1 Sistema de Transmisin Planetaria

    El sistema de transmisin ser generado por un motoreductor tipo

    vertical con variador, la potencia entregada por el motor es de 3Hp, a

    280r.p.m., el torque necesario para hacer girar el eje y transmitir el

    movimiento de rotacin a la base planetaria es de 76.3N*m.

    La transmisin de polea motor-polea transmisor es de 1-1, se realizar

    por bandas de correa de caucho trapezoidales de perfil en V dentada ya

    que brinda altas y bajas velocidades en espacios reducidos, adems no

    son ruidosas, esta a su vez hace girar un eje, que es el encargado de

    transmitir este movimiento de rotacin al soporte planetario.

  • 54

    Figura 17. Sistema de Transmisin.

    En la Figura 17 se muestran los dispositivos que hacen parte del sistema

    de transmisin como son los soportes, resortes, acople del sistema de

    transmisin con el sistema planetario, que estn soportados por la

    carcaza.

  • 55

    Tabla 2. Piezas que Componen el Sistema de Transmisin.

    Componente Material Peso (n) Plano no

    Acople Base Gua Acero AISI 1040 5.89 0101-0201-00-0

    Base Motor Vertical Hierro Fundido 82.40 0101-0300-00-0

    Vstago Acero AISI 4340 25.51 0101-0400-00-0

    Acople Sistema

    Transmisin

    Acero AISI 1040 78.48 0101-0500-00-0

    Columna Patn W Acero estructural

    ASTM-A36

    373.76 0101-0600-00-0

    Viga Columna Acero estructural

    ASTM-A36

    174.62 0101-0700-00-0

    Polea Principal Hierro Fundido 108.89 0101-1600-00-0

    Buje Estriado Acero AISI 1040 10.79 0101-1700-00-0

    Resorte Inferior Cromo-Vanadio 3.14 0101-1800-00-0

    Polea Motor Hierro Fundido 94.18 0101-2001-00-0

    Soporte de Vibracin Acero ASTM-A36 245.25 0102-0100-00-0

    Caja Rodamiento Lineal Acero AISI 4340 15.70 0102-0200-00-0

    Eje Estriado Acero AISI 4340 7.85 0102-0401-00-0

    Tabla 3. Lista de Piezas Comerciales del Sistema de Transmisin.

    Nombre Carga

    Dinmica

    Carga

    Esttica

    Masa

    (Kg.)

    cantidad Designacin

    Rodamiento

    Contacto

    Angular

    119000

    122000

    2.65

    1

    5311 E-2Z

    Rodamiento

    Cnico de

    Rodillos

    84200

    63000

    0.92

    1

    T7FC45-7Fc

    Rodamiento

    de Bolas

    12400 12700 0.13 1 61813-2RZ

  • 56

    5.6.1.1 Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario

    El movimiento planetario lo genera un motoreductor vertical con

    variador, de tipo vectorial para ser controlado por un PLC, este

    dispositivo de control lgico programado se conect por medio de un

    computador para determinar tiempos efectivos de molienda, velocidades

    de rotacin, potencia y relacin de transmisin necesaria para obtener

    resultados ptimos tanto de eficiencia, como de energa de impacto que

    se presenta en los recipientes de molienda, el motor va soportado por

    una base con sus respectivos tornillos de sujecin esta pieza se encarga

    de soportar y dar la estabilidad al motor vertical, este dispositivo se

    fabric de hierro fundido y se fij a la carcaza inferior.

    Figura 18. Motor Vertical Generador del Movimiento Planetario.

    El motor seleccionado que se muestra en la Figura 18 es vertical tipo

    brida que esta sujetado a la carcaza mediante un soporte fijo.

  • 57

    5.6.1.2 Seleccin y Clculo del Motor Generador del Movimiento

    Planetario

    Para realizar los clculos se seleccion inicialmente un motor de 3HP de

    potencia con velocidad de 280r.p.m., este es el encargado de vencer la

    inercia del mecanismo y los torques generados por fuerzas friccionantes

    en el sistema. Seguidamente se calcularon los valores de las inercias de

    los sistemas que estn afectados por este movimiento.

    Conociendo la potencia del motor se calcul la concentracin de fuerzas

    de friccin de cada uno de los sistemas:

    *)3( MHPMotor TP =

    Donde MotorP es la potencia entregada por el motor, MT , torque del motor y es la velocidad angular.

    mN

    s

    radWatt

    mprHPTM *3.76

    32.29

    1.2237..280

    3=

    = (1)

    Las dimensiones del soporte del molino se determinaron dependiendo de

    la capacidad de las jarras contenedoras de material en polvo y la

    distribucin sobre el soporte, en la Figura 19 se presenta el

    dimensionamiento del soporte.

  • 58

    Figura 19. Dimensiones de la Base Planetaria en mm.

    A partir de las dimensiones del soporte se realizaron los clculos para

    obtener la energa necesaria del mecanismo de molienda.

    Figura 20. Diagrama de Fuerzas del Sistema de Molienda.

    La Figura 20 muestra el diagrama de cuerpo libre del sistema de

    molienda a partir del esquema se obtiene:

    0* == gMNFy

    gMN *= (2)

  • 59

    Donde N es igual a la fuerza normal, M es la masa del sistema de

    molienda y g representa la gravedad.

    Para calcular la fuerza de friccin 1Fr de cada uno de los elementos de

    molienda se tiene que:

    NFr *1 = (3)

    Donde es el coeficiente de friccin entre Acero-Acero21 en este caso es

    de 0.1 ya que el sistema esta en constante lubricacin.

    Los clculos se realizaron para el sistema de molienda. Del diagrama de

    cuerpo libre de la Figura 20, se obtiene que remplazando la ecuacin (2)

    en (3), la fuerza de friccin es de:

    gMFr **1 = (4)

    NFr 33.3481.9*35*1.01 ==

    La energa o el trabajo entregado al mecanismo de molienda mostrado

    en la Figura 20 que contar con cuatro depsitos encargados de

    transferir la energa necesaria a los medios moledores para que se

    produzca la aleacin, se calcula de la siguiente manera.

    esContenedormolienda CantidadrFrE **1= (5)

    JmNEmolienda 82.394*29.0*33.34 ==

    21 THOMSON, W. T. Teora de Vibraciones. Prentice Hall ;1981 Mxico, Pg. 65

  • 60

    Donde moliendaE es igual a la energa de trabajo entregado al mecanismo

    de molienda y r es el radio de giro donde se aplica la fuerza.

    Se hacen los respectivos clculos de los restantes dispositivos, los

    resultados se muestran en la Tabla 4.

    Tomando una relacin de factor de seguridad de 1:2 y aplicndolo a los

    resultados de la tabla 4 se tiene que la energa total de los sistemas es

    de 73.5J. Para que el motor realice el trabajo, la energa entregada por

    el motor debe ser mayor a:

    = JEtotral 5.73 (6)

    Tabla 4. Clculos requeridos para la Seleccin del motor.

    Nombre Masa

    (Kg.)

    Cantidad Coef. Friccin

    ()

    Fuerza

    (N)

    Radio

    (m)

    Energa

    (J)

    Sistema de

    Molienda

    35 4 0.1 34.33 0.29 39.82

    Base

    Planetario

    29.6 1 0.1 29.04 0.35 10.16

    Soporte de

    Vibracin

    25 1 0.1 24.53 0.46 11.28

    Energa Total Entregada por los Sistemas 61.26 J

    Para un motor de 2238Watt (3HP), la velocidad nominal que debe

    alcanzar un sistema de este tipo es de 31.4s

    rad, esta velocidad se debe

    variar lentamente, para no forzar el mecanismo, se ha estimado que la

    velocidad requerida se obtendr en 10 segundos.

  • 61

    Figura 21. Grafica torque de carga Vs Tiempo.

    La inercia total del sistema se calcul por herramientas

    computacionales, en este caso el software Solid-Edge determin un

    valor de:

    2

    *18 mKgInerciasistema = (7)

    En la Figura 21 se muestra la grafica de funcionamiento del motor a una

    velocidad mxima de 31.41s

    rad, estimando que el trabajo realizado por

    el molino se comporta de manera lineal, se ha calculado la pendiente

    para obtener la aceleracin angular.

    dtd

    m

    == ; 2141.310

    41.31

    s

    rads

    s

    rad

    = (8)

    2141.3 srad

    =

    Donde es igual a la aceleracin angular.

  • 62

    Para el clculo del torque que requiere el motor para generar el

    movimiento, se ha definido como el torque de los sistemas ms la

    inercia total afectado por la aceleracin angular en este caso con las

    ecuaciones (6), (7) y (8) se tiene que:

    *sistemaemastotalsisitMotor InerciaEnergaT += (9)

    Js

    radmKgJT Motor 130141.3**185.73 2

    2=+=

    Para un motor de 3HP y un torque de transmisin 76.3J se estima que el

    torque se incrementa 3 veces su valor al reducir la velocidad. En este

    caso se tiene:

    JJT nTransmisi 2283*3.76 == (10)

    Se seleccion un motoreductor vertical con variador de 3HP ya que el

    torque de transmisin de este es superior al requerido para su

    funcionamiento. Para este dispositivo el arranque debe realizarse con

    una velocidad de rotacin de 10r.p.m. e irse incrementando

    progresivamente hasta alcanzar la requerida, en este caso 300r.p.m.,

    como se tiene que la inercia del sistema es alta en comparacin con el

    mecanismo se hace esta salvedad para no forzar el motor.

    Algunas caractersticas del motor seleccionado se indican en la Tabla 5:

  • 63

    Tabla 5. Caractersticas Tcnicas del Motor Seleccionado Para Movimiento Planetario22.

    MOTOR GENERADOR DEL MOVIMIENTO PLANETARIO

    Potencia Nominal (HP) 3

    Reductor SK 33

    Motor 4100

    L

    Relacin 37.93

    Velocidad de Salida (RPM) 46

    Torque Nominal (N*m) 457

    Torque Mximo (N*m) 625

    Factor de Servicio 1.4

    Carga Radial (N) 8.950

    Carga Axial (N) 9.000

    El motor entregar una velocidad de rotacin de 280r.p.m. a una polea

    conectada directamente a este dispositivo motriz, esta polea a su vez

    transmitir la rotacin a la polea central, la geometra de la polea

    motor-polea transmisin son iguales, esta a su vez hace girar el eje

    central que es el encargado de generar el movimiento planetario.

    Para la seleccin del variador se tuvo en cuenta la inercia que debe

    mover 2*18 mKgInerciasistema = y la potencia que transmite el motor que es

    de 3HP. Las especificaciones tcnicas del variador que se seleccion se

    muestran en la Tabla 6.

    22 Catalogo motoreductores. Yaskawa ASSI Variadores S.A.

  • 64

    Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Variador.

    VARIADOR YASKAWA

    Modelo CIMR-J7AM22P2

    Referencia JDAO11

    Entrada AC3PH 200-230v, Hz6050 , 15.1A

    Salida AC3PH 0-230v, Hz4000 , 11A Masa 1.5Kg

    Serie N4WD936-11-003/V0410

    5.6.1.3 Acople Base Gua

    Esta pieza se dise para que sus caras ensamblaran entre si, en forma

    de brida, ya que su estructura favorece el acople y desacople del

    sistema, esta pieza es la encargada de fijar la gua y permite el fcil

    mantenimiento de los rodamientos.

    La pieza que se dise cuenta con la ventaja de ir empotrada tanto en la

    parte inferior como en la parte superior de la carcaza de aluminio, en la

    Figura 22 se muestra los accesorios de sujecin y ajuste, este sistema

    cuenta con cuatro pernos con sus respectivas tuercas que mantienen el

    mecanismo estabilizado, la pieza es practica, ya que permite que la gua

    se intercambie fcilmente y evita que el sistema se desequilibre. El

    material seleccionado para fabricar esta pieza es acero AISI 1040.

  • 65

    Figura 22. Ensamble Acople Base Gua.

    5.6.1.4 Columna Patn W Perfil Soporte Motor

    Como se muestra en la Figura 23 el motor generador de la vibracin es

    soportado por una viga, este dise se realiz para que la carcaza no

    est expuesta a cargas y fuerzas, la carcaza se construy de aluminio.

    La estructura de la viga seleccionada es de perfil rectangular W6 (6x4).

    El anlisis de la estructura se realiz mediante el software de elementos

    finitos Algor, esta herramienta es indispensable ya que este programa

    tiene la opcin de seleccionar la geometra que se desea disear, entre

    estas alternativas se tienen perfiles comerciales, adems determina la

    mxima deformacin que resistir el perfil, este mecanismo se

    encargar del ajuste del motor horizontal generador de la vibracin.

    Este soporte ser construido de acero ASTM A 36, el cual ir empotrado

    en la parte inferior de la carcaza su altura es de 1mt., la base que

    soporta el motor es perpendicular a la viga, estas dos estructuras

    cuentan con chaflanes a 45 para la unin por soldadura.

  • 66

    Estimando que el peso del motor y la fuerza que debe ejercer este

    mecanismo para levantar toda la estructura es de 6000N, esta carga es

    aplicada en un extremo de la viga, con estas caractersticas se obtienen

    los resultados mostrados en la Figura 23.

    Figura 23. Anlisis Columna por software.

    En la Figura 23 se presenta el mximo desplazamiento de la viga, en

    este caso se exhibe en el extremo con un valor de 3.51*10-4mm. En la

    Tabla 7 se resumen los resultados de los anlisis indicando el tipo de

    carga que se aplic, y muestra las propiedades del perfil. Para el caso

    particular lo que interesa en la seleccin del perfil es el rea transversal.

  • 67

    Tabla 7. Propiedades del perfil.23

    Propiedades del perfil en W

    Tipo de Elemento Tipo Beam

    rea (m2) 0.0023

    Resistencia Torsional J1 (m4) 3.75E-08

    Momento de Inercia I2 (m4) 1.24E-06

    Momento de Inercia I3 (m4) 9.20E-06

    Seccin Perfil W6.00X12.00

    Para seleccionar el perfil se debe tener en cuenta el radio de giro y el

    rea transversal, en este caso el rea de 0.0023m2.

    Para el anlisis de la columna los clculos se realizaron por pandeo

    donde se encontraron las cargas crticas, los esfuerzos y el factor de

    seguridad, en la Tabla 8 se muestra las caractersticas y dimensiones de

    la columna a analizar.

    Tabla 8. Caractersticas de la Columna.

    Nombre Valores

    Longitud Columna (m) 1

    Carga de Trabajo (N) 8000

    Material Acero 1020

    Limite Elstico (MPa) 207

    Modulo de Elasticidad (GPa) 206.8

    La columna se analiz teniendo en cuenta los apoyos; en este caso, se

    consider para un sistema empotrado y libre.

    23 [Center for mechanical design technology: finite element analysis simulation and opt], [Citado 15-06-

    2005]. Disponible en Internet: www.algor.com

  • 68

    20023.0 mAreaColumna = (1)

    Dependiendo de los apoyos de la columna, se calcula la longitud efectiva

    eL , teniendo en cuenta que la longitud de la columna es de 1 mt.

    LLe *2= (2)

    mLe 2= .

    Igualmente la inercia de la columna se calcul por software de anlisis,

    en la Tabla 7 se registra este valor.

    46

    2 10*24.1 mI

    = (3)

    Para el clculo de radio de giro se deben reemplazar las ecuaciones (1)

    y (3) en (4)

    ColumnaAreaI

    K 2= (4)

    mK 023.0=

    Para el clculo de la relacin de esbeltez se reemplazan las ecuaciones

    (2) y (4) en (5).

    KLe

    =Re (5)

    96.86Re =

  • 69

    Dado que se tiene una columna intermedia con una esbeltez de 86.96 se

    aplica la formula de Jhonson. Reemplazando los valores de la Tabla 8 y

    las ecuaciones (1) y (5) en (6)

    =

    EAreaP yColumnayCritica

    *4Re*

    1** 22

    pi

    (6)

    NPCritica 384815=

    En este anlisis la carga critica para que la estructura falle es 385641N

    este es un valor elevado, por lo tanto se espera que el factor de

    seguridad sea alto. Reemplazando la ecuacin (6) y la carga de trabajo

    que se muestra en la Tabla 8 en (7)

    Trabajo

    critica

    PPSF =. (7)

    48. =SF

    Por medio de catlogos especializados en perfiles se tienen las

    dimensiones nominales que dependen de la geometra del perfil, el

    material con que se va a construir, etc. Se encontr que los perfiles

    rectangulares (W) son muy utilizados y por lo general el material con

    que se construyen es acero ASTM A36 que presenta mediana resistencia

    para fabricacin de perfiles en vigas, canales y ngulos.

  • 70

    Tabla 9. Composicin Qumica del Material Seleccionado para la Construccin de la Viga24.

    Composicin Qumica

    Limite

    Elstico

    (Ksi)

    Resistencia

    Ultima

    (Ksi)

    Especificacin

    C Mn P S Si Cb

    ASTM A 36 0.25 1.20 0.040 0.5 0.04 ---

    36 58 - 80

    En la Tabla 9 se presenta la composicin qumica del acero que se

    seleccion para la construccin de la viga, la caracterstica de este

    material es que presenta buenas propiedades mecnicas y es comercial,

    adems en el modelado por herramientas computacionales se trabaj

    con este material.

    Para la seleccin de perfiles se tiene en cuenta el modulo de la seccin,

    que se obtuvo por herramientas computaciones donde los resultados se

    presentaron en la Tabla 7. Para la construccin del elemento se

    seleccion un Perfil W6 (6x4).

    5.6.1.5 Calcul de Vstago

    El sistema cont con 3 guas macizas el material con que se fabricaron

    las piezas es de acero AISI 4340, cada una con dimetro de 20 mm.,

    esta pieza se encargar de fijar la estructura y soportar parte del peso

    del mecanismo planetario junto con los resortes, la pieza se fabric con

    un labrado roscado, donde una tuerca se encargar de mantener

    24 [Manual de aplicacin de ngulos de acero laminados en caliente ASTM A572 grado 50]. [Citado 15-06-

    2005]. Disponible en Internet: http://www.acerosarequipa.com/downloads/manualG50.pdf

  • 71

    precargado el resorte a la mitad del recorrido de trabajo, en este caso

    10mm, estas guas ayudarn a mantener el movimiento de vibracin y

    evitarn que el mecanismo se desestabilice. Como la pieza esta

    sometida a constante friccin, en los extremos del soporte estrella se

    acondicionaron compartimientos para alojar los rodamientos de bolas

    lineales y garantizar el movimiento evitando la falla por fatiga del

    vstago.

    Los clculos del dispositivo se realizaron por pandeo, el material de

    referencia con que se trabaj es un acero AISI 1020, el material con que

    se analiz este dispositivo posee bajas propiedades mecnicas

    comparado con el material que realmente se construy la pieza.

    Para los parmetros de diseo se tuvo en cuenta que a mayor longitud y

    esbeltez de la columna, menor es el esfuerzo de seguridad que puede

    soportar, este dispositivo resistir una carga central de 5000N, por lo

    tanto se tiene que:

    Tabla 10. Ficha Tcnica de la Pieza que se Analiz por Pandeo

    DENOMINACIN DIMENSIN

    Longitud Vstago (m) 1

    Dimetro del Vstago (m) 0.02

    Carga de Trabajo 5000

    Material Acero 1020

    Limite Elstico (MPa) 207

    Resistencia Mxima a Tensin (MPa) 379

    Modulo de Elasticidad (GPa) 206.8

  • 72

    La viga se analiz teniendo en cuenta los apoyos, para este caso se

    tiene un sistema empotrado y articulado.

    El rea de una seccin circular maciza se calcula de la siguiente manera:

    242

    10*14.34

    *m

    DA == pi (1)

    moLL ejee 707.0arg*707.0 == (2)

    494

    10*85.764*

    mDI x

    ==

    pi (3)

    Para el clculo de radio de giro se reemplaz las ecuaciones (1) y (3) en

    (4)

    mAI

    K x 005.0== (4)

    Para el clculo de la relacin de esbeltez se calcula reemplazando las

    ecuaciones (2) y (4) en (5).

    4.141Re ==KLe (5)

    Como se tiene una columna larga con una esbeltez de 141.4 se aplica

    formula de Euler. Reemplazando los valores de la Tabla 10 y las

    ecuaciones (3) y (2) en (6), se obtiene la carga crtica.

    2

    2**

    e

    x

    critica LIE

    Ppi

    = (6)

    N9.20533707.0

    10*85.7*10*8.206*2

    992

    ==

    piCriticaP

  • 73

    En este anlisis la carga crtica que producir la falla de la estructura, es

    de 32053.9N, con este valor se calcula el factor de seguridad.

    Reemplazando las ecuaciones (6) y la carga de trabajo que aparece en

    la Tabla 10 en la ecuacin (7).

    Trabajo

    rotura

    PPSF =. (7)

    NPTrabajo 5000=

    41.65000

    9.32053. ==

    NNSF

    5.6.1.6 Acople Sistema de Transmisin

    Esta pieza es la encargada de soportar y transmitir el movimiento

    planetario, se dise y fabric de acero 1040, en su interior alojar un

    rodamiento de bolas de contacto angular; que permite acoplar la polea y

    el buje brochado para transmitir la rotacin que viene del motor vertical.

    Este dispositivo es solidario a la carcaza inferior y su fijacin se realiza

    por medio de pernos y tuercas.

    Figura 24. Acople Sistema de Transmisin.

  • 74

    En la Figura 24 se muestra la pieza que acoplar a la parte inferior de la

    carcaza con pernos, en su interior se alojar un rodamiento para el

    movimiento de rotacin; este compartimiento estar lubricado

    constantemente para eliminar la friccin entre materiales.

    5.6.1.7 Polea Transmisora

    La polea es un dispositivo mecnico de traccin, formado por una rueda

    montada en un eje, con una cuerda o banda que rodea la circunferencia

    de la rueda.

    Una polea fija no proporciona ninguna ventaja mecnica, es decir,

    ninguna ganancia en la transmisin de la fuerza: slo cambia la

    direccin o el sentido de la fuerza aplicada a travs de la cuerda.

    La relacin de transmisin entre polea del motor y polea central es de

    1:1, el dimetro de ambas es de 11 pulgadas, la velocidad de rotacin

    viene del motoreductor. La polea de transmisin es simtrica a la polea

    del motor y se fabricaron por fundicin de hierro.

    La polea cont con dos labrados para la transmisin por bandas en V

    hexagonal y dentada, el movimiento de rotacin entregado por el eje del

    motor se repartir hacia la polea; que no es totalmente maciza consta

    de brazos o venas como volante, que se encargaran de mantener la

    inercia del sistema equilibrada.

  • 75

    En catlogos de poleas25 se tienen las dimensiones nominales como es

    el dimetro, la geometra de la correa, el labrado del perfil, entre otros.

    Figura 25. Dimensiones Generales de la Polea Transmisora en mm.

    En la Figura 25 se muestra las dimensiones de la polea, el cubo ser

    labrado con tres pestaas para alojar un buje, la polea acoplar en un

    compartimiento ver Figura 24, donde va instalado un rodamiento de

    bolas de doble hilera.

    Figura 26. Polea de Transmisin.

    En la Figura 26 se muestra el cubo de la polea central donde se acoplar

    el buje brochado, en esta pieza se apoya y gira el eje; la polea tiene 3

    25 Catalogo Emerson Power Transmisin Pg. A-70

  • 76

    pestaas donde se fijar al buje con tornillos, este dispositivo sirve

    como seguridad para proteger la polea de las cargas criticas que en

    algn instante ocurran, adems protege los dispositivos del rozamiento

    que se genere entre si.

    5.6.1.8 Buje Estriado

    Como se muestra en la Figura 27 esta pieza se aloj en el interior de la

    polea, consta de un buje brochado de Acero AISI 1040 con tratamiento

    superficial de Nitruracin, el dimetro del cubo es de 65mm, con

    pestaas de 7mm x 7.19mm.

    Figura 27. Buje Estriado.

    5.6.1.9 Diseo de Resortes

    Para el caso del molino uno de los componentes importantes del

    sistema, son los resortes ya que brindan estabilidad y compensa la

    fuerza que debe realizar el motor generador de la vibracin. Los resortes

    estarn sobre la gua tanto en la parte inferior como en la parte superior

    del soporte estrella.

  • 77

    Para este sistema se cont con dos tipos de resortes de diferente tasa,

    se realizaron los anlisis fsicos y se tiene que la fuerza ejercida por el

    resorte inferior para soportar el sistema, es mayor al resorte que se

    encuentra ubicado en la parte superior del soporte.

    Los resortes ms utilizados en la industria son los helicoidales de

    compresin que tienen un alto rango de carga o fuerza de empuje y

    deflexin. En general el dimetro de la espira del resorte es constante y

    en ocasiones los extremos del resorte son cuadrados y rectificados para

    que sirvan de apoyo en una superficie; como es el caso del molino que

    se construy.

    En el clculo de los resortes las especificaciones para el diseo de este

    dispositivo mecnico esta dado por el sistema de vibracin. El

    mecanismo planetario contar con unas guas con dimetro de 20mm,

    los resortes son colocados dentro de las guas y son los encargados de

    soportar el peso del sistema de 4000N, se ha estimado que los resortes

    estn precargados, la deflexin de trabajo es de 15mm que es uno de

    los requerimientos para que el sistema efecte su funcin y garantice su

    movimiento constante arriba-abajo.

    5.6.1.10 Clculos para el Resorte Inferior

    El ndice del resorte26 viene dado en un rango de 4 a 12, si el ndice del

    resorte es menor o cercano a 4 el resorte es difcil de fabricar, para

    dimetros mayores a 12 probablemente pandee. Est definido como la

    26 NORTON, R, L. Diseo de Maquinas. Mxico: Prentice Hall, Pg. 824.

  • 78

    razn del dimetro de espira por dimetro de alambre. Para una buena

    seleccin de la tasa del resorte se recomienda que este valor se

    encuentre entre 6 y 9 ya que en este intervalo el dispositivo

    implementado es fcil de fabricar.

    dDC = (1)

    En algunos casos se tienen en cuenta los dimetros comerciales que

    existen en el mercado, segn las caractersticas y funcionamiento de la

    pieza se escoge la que cumpla con las normas y requerimientos del

    mecanismo. En tablas y catlogos de resortes se tiene las caractersticas

    de algunos de ellos27.

    Para el diseo y fabricacin de dicho dispositivo en la Tabla 11 de la

    referencia anterior se selec


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