Tesina Final (2)
68
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COMPONENTES AUXILIARES PARA UNA MAQUINA DE TORSIÓN EN CALIENTE”. TESINA PARA OBTENER EL DIPLOMA DE ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA CON OPCION EN PROYECTO MECANICO PRESENTA: JOSE IVAN GARDUÑO MENDOZA DIRECTOR DE TESINA: DRA. JUANA ELOINA MANCILLA TOLAMA MEXICO D.F. MAYO 2012
-
Upload
silver-fox -
Category
Documents
-
view
40 -
download
1
Transcript of Tesina Final (2)
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COMPONENTES
AUXILIARES PARA UNA MAQUINA DE TORSIÓN EN
CALIENTE”.
TESINA PARA OBTENER EL DIPLOMA DE ESPECIALIDAD
EN INGENIERÍA MECÁNICA CON OPCION EN PROYECTO
MECANICO
PRESENTA:
JOSE IVAN GARDUÑO MENDOZA
DIRECTOR DE TESINA:
DRA. JUANA ELOINA MANCILLA TOLAMA
MEXICO D.F. MAYO 2012
1
INDICE
RESUMEN ...................................................................................................................................... 3
ABSTRAC ........................................................................................................................................ 4
CAPITULO 1 ................................................................................................................................... 5
1.1 Descripción del problema ....................................................................................................... 5
1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................... 5
1.3 OBJETIVOS PARTICULARES ...................................................................................................... 5
1.4 INTRODUCCION ....................................................................................................................... 6
1.5 JUSTIFICACIÓN......................................................................................................................... 7
CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO. .................................................................................................... 8
2.1 Ensayo de torsión. ................................................................................................................... 8
2.2 Características del ensayo de torsión en caliente. .................................................................. 9
2.3 Esquema General del Sistema de torsión a altas temperaturas. .......................................... 10
2.4 Análisis del funcionamiento de una máquina de torsión en caliente. .................................. 11
2.5 Calentamiento por Inducción Electromagnética. .................................................................. 11
2.4 Componentes Básicos, .......................................................................................................... 13
2.4.1 Fuente de potencia. ....................................................................................................... 14
2.4.2 Estación de calentamiento. ............................................................................................ 14
2.4.3 Espiral inductor. ............................................................................................................. 15
2.4.4 Materiales de Trabajo .................................................................................................... 15
2.6 Descripción de equipo y herramientas. ................................................................................ 16
2.6.1 Sistema de calentamiento por inducción. ...................................................................... 16
2.6.2 Fuente de alimentación ................................................................................................. 18
2.6.3 Estación de calor ............................................................................................................ 18
2.6.4 Recirculador de agua ..................................................................................................... 19
2.6.5 Bobina de inducción ....................................................................................................... 20
2.6.6 Pirómetro óptico ............................................................................................................ 21
2.6.7 Otros componentes ........................................................................................................ 21
2.7 Selección de materiales para diseño. .................................................................................... 22
2.7.1 Especificaciones y Estándares ........................................................................................ 28
2.8 Ciclo de Vida estructural y los modos de fallo ..................................................................... 29
2.9 Propiedades de los materiales y diseño ................................................................................ 30
2
CAPITULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................... 33
3.1 Diseño de elementos mecánicos para máquina de torsión en caliente ............................... 33
3.1.1 Palanca de sujeción ........................................................................................................ 33
3.1.2 Tina para temple: ........................................................................................................... 35
3.1.3 Mesa antimagnética PTR ................................................................................................ 36
3.1.4 Mesa de soporte para estación remota de la marca RDO induction L. L. C.: .............. 36
3.1.5 Sistema de sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes. ............................................. 38
CAPITULO 4 RESULTADOS Y DISCUSIONES ................................................................................ 45
4.1 Análisis experimental de esfuerzos. ...................................................................................... 45
4.1.1 Análisis modal ................................................................................................................ 45
4.2 Modos de vibración en la estructura modelada. .................................................................. 46
4.2.1 Primer modo de vibración. ............................................................................................. 47
4.2.2 Segundo modo de vibración .......................................................................................... 48
4.2.3 Tercer modo de vibración .............................................................................................. 49
4.2.4 Cuarto modo de vibración .............................................................................................. 50
4.2.4 Quinto modo de vibración ............................................................................................. 52
4.3 Diseño, selección de materiales y análisis estático de esfuerzos del sistema de sujeción del
pirómetro óptico de cuatro ejes. ................................................................................................ 53
4.3.1 Especificaciones técnicas. .............................................................................................. 53
4.3.2 Selección de materiales.................................................................................................. 54
4.3.3 Partes componentes del diseño. .................................................................................... 57
4.3.4 Estudio del comportamiento de la estructura. .............................................................. 58
4.3.5 Resultados obtenidos del análisis de esfuerzos. ............................................................ 65
CAPITULO 5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS A FUTURO ............................................................... 66
5.1 Análisis modal para mesa de soporte para estación remota de la marca RDO induction L.
L. C.: ................................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.
5.2 selección de materiales del sistema de sujeción del pirómetro óptico de cuatro ejes. ¡Error!
Marcador no definido.
5.3 Análisis estático de esfuerzos del sistema de sujeción del pirómetro óptico de cuatro ejes.
........................................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 67
3
RESUMEN
El modernizando, instrumentado y automatizando de una máquina de torsión en caliente
marca SETARAM con funcionamiento completamente manual a través de interruptores
y contactos, es para fortalecer la actividad de investigación, avance del conocimiento y
actividades de enseñanza, así como también, para el desarrollo de proyectos de talla
internacional, en especial en el área del comportamiento plástico de los materiales
metálicos. El equipo nos permitirá la programación de ensayos de torsión a altas
temperaturas y la realización automática de varios ciclos de deformación. Así como
también, la simulación de deformaciones sucesivas que se realizan por fases de torsión
sucesivas con intervalos de pausa (bloqueando la probeta por medio del freno
magnético). La amplitud de la deformación y el tiempo de pausa se regulan
individualmente, fase a fase. La velocidad de deformación es variable de una operación
a la otra: Incrementándola progresivamente, se podría simular un incremento en la
velocidad. Su funcionamiento es para estimular, esencialmente al personal investigador
en formación o de becarios que estén realizando su trabajo. Estos tienen oportunidad de
familiarizarse y aprender estas técnicas y de realizar sus ensayos en las condiciones que
la investigación que realizan requiera. Para ello se realizó un diagnóstico general en la
máquina de torsión y fue necesario sustituir componentes (algunos fueron rehabilitados
o rediseñados), y equipos auxiliares para tener un Sistema de Ensayos de Torsión a
Altas Temperaturas, que permita el manejo automático de los datos desde un
computador personal, aumentando su capacidad y productividad y haciendo plenamente
confiables los resultados de los ensayos de torsión a altas temperaturas El trabajo de
esta tesina consistió en la realización de los diseños y fabricación de algunos
componentes de la máquina de torsión en caliente: tina para temple, mesa antimagnética
PTR, mesa de soporte para estación remota, sistema de sujeción de pirómetro óptico de
cuatro ejes y utilajes de acero inoxidable para la sujeción de algunos de estos equipos
auxiliares, esto es construido en base a las especificaciones que se requieren, tomando
en cuenta el diseño se prosiguió a desarrollar el análisis estático y modal, en donde los
resultados obtenidos fueron apropiados para el desarrollo de cada pieza, este se realizo
con un programa de elemento finito ANSYS. Así mismo se realizó la selección de los
materiales adecuados tomando en cuenta el costo para su fabricación. Es importante
destacar que esto es el resultado de una de las etapas necesarias para la modernización,
instrumentación y automatización del sistema de torsión a altas temperaturas.
4
ABSTRAC
This paper presents the results of the design and manufacture of elements for a hot-
torsion machine brand SETARAM with full manual operation through switches and
receptacles, donated by the UAM Azcapotzalco the IPN, with a commitment to
modernize the equipment. This was replaced and incorporated some components and
auxiliary equipment with the necessary instrumentation, in order to systematize it in a
way that allows automatic handling of data from a computer, increasing its capacity and
productivity by fully reliable and the results of torsion tests at high temperatures, which
will generate future projects and services to industry.
General analysis was performed on the machine torque and needed replacing
components (some were rehabilitated or redesigned), and auxiliary equipment for a
Torsion Test System at High Temperatures.
The work of this thesis was to conduct the design and manufacture of some
components of the hot torsion machine: clamping levers, tub, Hardening PTR-magnetic
table, desk support for remote station holding system optical pyrometer utilajes four
shafts and stainless steel for securing some of the ancillary equipment. This analysis
was performed static and modal finite element using ANSYS to study the behavior of
the designed structures. Also carried out the selection of suitable materials taking into
account the cost for manufacturing.
5
CAPITULO 1
1.1 Descripción del problema
La falta de equipamiento científico-tecnológico en las instituciones no hace posible el
desarrollo de la actividad de investigación, avance del conocimiento y actividades de
enseñanza, es una herramienta necesaria para la investigación y se ha convertido en una
de las principales fortalezas de las instituciones, así como también, para el desarrollo de
proyectos de talla internacional. Para ello se está modernizando la máquina de torsión
en caliente con la sustitución e incorporación de algunos componentes y equipos
auxiliares y la instrumentación necesaria, con la finalidad de sistematizarla de tal forma
que permita el manejo automático de los datos desde un computador personal,
aumentando su capacidad y productividad y haciendo plenamente confiables los
resultados de los ensayos de torsión que debe cumplir el equipo, lo cual generará
proyectos futuros y servicios al sector industrial bajo las normas Internacionales de
Calidad.
1.2 OBJETIVOS
Diseño de piezas y construcción de componentes de una máquina de torsión en caliente
para realizar ensayos de torsión.
1.3 OBJETIVOS PARTICULARES
Diseño de piezas y componentes para una máquina de torsión en caliente.
Estudio de fuerzas, tensiones y desplazamientos mediante análisis de elemento
finito (ANSYS), para comprobar el correcto funcionamiento de las piezas
diseñadas.
Análisis y selección de materiales para los elementos diseñados.
Construcción de piezas mecánicas diseñadas.
6
1.4 INTRODUCCION
La máquina de torsión en caliente para realizar ensayos de torsión a altas temperaturas
fue donada por la UAM Azcapotzalco a la SEPI ESIME Azcapotzalco, actualmente se
encuentra ubicada en el laboratorio de ingeniería de materiales de la SEPI. La máquina
de torsión en caliente marca SETARAM tiene una antigüedad aproximada de 40 años
por lo que algunos de sus componentes principales se encontraron en mal estado y
módulos analógicos grandes y poco eficientes. En México se adquirieron desde finales
de la década de 1970 dos equipos para la realización de ensayos de torsión en caliente
en materiales metálicos. En la compra del equipo no se adquirieron las opciones de
instalación, paquete con accesorios para la instalación y la puesta a punto del equipo,
por lo cual el equipo no fue instalado correctamente.
Se realizó un diagnóstico general a la máquina de torsión para conocer su estado físico.
Además se realizó un análisis en cada uno de los componentes de la máquina de torsión:
mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, electrónicos, cables etcétera. Para ello
fue necesario el remplazo y rediseño de componentes en el equipo de torsión que fueron
entregados en este trabajo.
Es importante mencionar que la meta principal de la modernización de la máquina de
torsión es la realización de ensayos de torsión, ya que es un ensayo sencillo y eficaz
para simular los procesos de conformado mecánico en caliente de metales y aleaciones
en condiciones de laboratorio que permite un control muy estricto de las variables de la
deformación (como temperatura, velocidad de la deformación, deformación, etcétera),
reproduce fielmente la evolución microestructural desarrollada en la laminación en
caliente. También nos permite obtener valores de deformaciones muy elevados donde
no se presenta el fenómeno de la estricción (típica en los ensayos de tracción), a
velocidad constante no aparecen fricciones parásitas que inciden sobre la plasticidad del
metal. Bajo ciertas condiciones de temperatura y velocidad, la regeneración del material
puede ser tan rápida que es posible alcanzar deformaciones ilimitadas y por tanto la
probeta no se fractura. En el ensayo la deformación es unidimensional (corte simple), lo
cual facilita la interpretación teórica. Aun cuando la deformación varía a lo largo del
radio de la probeta, permanece uniforme a lo largo de la longitud de la probeta, y se
mantiene un gradiente de temperatura lo más bajo posible, entonces el ensayo puede
considerarse isotérmico. Este equipo constituirá y gran aporte científico en el IPN.
7
1.5 JUSTIFICACIÓN
La demanda de equipos científicos requiere de grandes inversiones para desarrollar
tareas de investigación relacionadas con el comportamiento plástico de materiales
metálicos que nos permite a la comunidad investigadora el acceso a nuevas fronteras de
conocimiento. Para ello es fundamental la modernización de la máquina de torsión en
caliente con la sustitución e incorporación de algunos componentes y equipos auxiliares
y la instrumentación necesaria, con la finalidad de sistematizarla de tal forma que
permita el manejo automático de los datos desde un computador personal, aumentando
su capacidad y productividad y haciendo plenamente confiables los resultados de los
ensayos de torsión que debe cumplir el equipo, lo cual generará proyectos futuros y
servicios al sector industrial bajo las normas Internacionales de Calidad.
8
CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO.
2.1 Ensayo de torsión.
El ensayo de torsión en caliente se lleva a cabo por la deformación en condiciones de
corte de una probeta de acero cilíndrico, la cual se calienta a una temperatura
programada por inducción eléctrica. Para evitar la oxidación de la probeta se protege
dentro de un tubo de cuarzo con una atmosfera de gas inerte. Uno de los extremos de la
probeta se sujeta a la mordaza del cabezal del motor, mientras que el otro extremo se
deja libre hasta segundos antes del inicio del ensayo para sujetarlo a un cabezal fijo
donde se localiza el sensor piezoeléctrico que mide el ángulo de giro.
De esta manera la probeta fija al cabezal del motor girara a las revoluciones por minuto
del mismo programadas (equivalente a la velocidad de deformación) por un
determinado número de giros (equivalente a la deformación), obteniéndose una
determinada respuesta de par de torsión (equivalente al esfuerzo). La curva resultante se
presenta en el monitor de la computadora.
El principio de la conversión de las magnitudes del ensayo de torsión a magnitudes
generalizadas depende del principio de equivalencia, el cual señala que:
Si dos metales con idéntica composición química y microestructura inicial se someten
en un periodo de tiempo dado a las mismas leyes de deformación generalizada y
temperatura, sus estados en cualquier momento serán idénticos, cualquiera que sea el
proceso de deformación aplicado (conformado mecánico).
El ensayo de torsión tiene varias ventajas:
Para la probeta de ensayo: los extremos se sujetan de tal manera que la longitud útil de
la probeta no varía durante el ensayo y por lo tanto conserva su forma original, de tal
forma que la deformación local siempre corresponderá exactamente al movimiento
impuesto en su extremo libre y no dependerá de la reacción del metal. En los ensayos de
tracción, compresión o flexión, las dimensiones de la probeta cambian continuamente
durante la prueba, complicando la interpretación de resultados.
Para la maquina: es muy simple la cinemática ya que el giro es aplicado a la probeta
por medio de una flecha de transmisión mecánica como parte de un sistema de
embrague y freno electromagnético. De esta manera el número de vueltas aplicado no
está limitado más que por las propiedades del material a la fractura.
La forma constante de la probeta permite valores de deformación elevados ya que no se
presenta el fenómeno de la estricción, típica en los ensayos de tracción. Bajo ciertas
condiciones de temperatura y velocidad, la regeneración del material puede ser tan
rápida que es posible alcanzar deformaciones ilimitadas y por lo tanto la probeta no se
fractura. En el ensayo la deformación es unidimensional (corte simple), lo cual facilita
9
la interpretación teórica. Aun cuando la deformación varía a lo largo del radio de la
probeta, permanece uniforme a lo largo de la longitud de la probeta, y se mantiene un
gradiente de temperatura lo más bajo posible, entonces el ensayo puede considerarse
isotérmico.
2.2 Características del ensayo de torsión en caliente.
El ensayo de torsión tiene las siguientes características principales en cuanto al
conformado en caliente en materiales metálicos.
Obtención de grandes deformaciones antes de la ruptura, ya que no ocurre
inestabilidad geométrica del material durante la deformación.
Se puede calcular una deformación generalizada y el esfuerzo sobre la periferia
de la probeta tomando las mediciones de revoluciones (número de vueltas) y de
torque aplicados.
Se pueden preparar muestras para microscopía óptica y electrónica en la zona
periférica de la pieza bajo prueba.
Figura 1.1 Máquina de torsión en caliente.
En figura 2 se muestra cómo funciona la máquina de torsión en caliente y se pueden
observar algunos de los componentes.
10
Figura 2.1 Esquema general de una máquina de torsión en caliente
2.3 Esquema General del Sistema de torsión a altas temperaturas.
A continuación se muestra un esquema general de la máquina y sus principales
componentes, su posicionamiento y partes que conforman el equipo de una máquina de
torsión en caliente. Aquí se puede observar de manera precisa cada una de las partes con
las que está constituido el sistema como se muestra en la figura 2.2
Figura 2.2 Esquema General del Sistema
11
2.4 Análisis del funcionamiento de una máquina de torsión en caliente.
La probeta se coloca entre las mordazas. Se ajusta primero el mandril del lado del
cabezal de medición y luego tomando la palanca se alinea el mandril opuesto y se
aprieta.
Se dan las características del ensayo a realizar en la máquina para que la PC comience a
procesar los datos y calibre la máquina.
Se enciende la maquina 15 minutos antes de empezar a usarla, para permitir que el
registrador electrónico entre en régimen.
Al encender la máquina, se verá iluminada la pantalla. La máquina está lista para aplicar
carga a la probeta.
El par de torsión se transmite a la probeta y de ésta al sistema electrónico de medición
que muestra en la pantalla de la PC el valor del par de torsión
2.5 Calentamiento por Inducción Electromagnética.
El método de calentamiento por inducción se utiliza para tener una fuente de calor
constante y rápida en aplicaciones de fabricación en las que se necesitan soldaduras,
uniones, o en las que hay que modificar las propiedades de un metal u otros materiales
conductores de electricidad en nuestro caso se utilizara para calentar la probeta de
prueba para realiza el ensayo de torsión a altas temperaturas. El proceso depende de
corrientes eléctricas dentro del material para producir calor.
Figura 2.3 Esquema general mostrado desde una vista superior
En la figura 2.3 se puede observar una vista superior del sistema de torsión en caliente
con una probeta montada, lista para ser ensayada.
La explicación teórica del calentamiento por inducción se hace por la aplicación de las
leyes de la inducción (ley de Faraday y ley de Ampere) y del efecto Joule.
12
En primer lugar tenemos que si aplicamos una corriente a un conductor, este genera un
campo magnético que cuya distribución viene dada por la ley de Ampere.
∮ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ (1)
Donde: i es la corriente que circula por el conductor, N es el numero de espiras,
l la longitud del circuito y H el campo magnético.
Si la corriente que aplicamos al conductor es variable en el tiempo, el campo que se
genera, también lo es y por tanto generara un flujo magnético cambiante. Aplicando la
ley de Faraday en un conductor sometido a un flujo magnético variable se generará una
fuerza electromotriz cuyo valor es:
(2)
Donde es la fem inducida, N el número de espiras y Ø el flujo del campo magnético.
Esta fuerza electromotriz inducida en el interior de conductor, generan una corriente
(corriente de inducción ó corriente de Foulcault) que es la responsable del
calentamiento, por efecto Joule:
Donde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente por la que circula la
corriente i.
Todo este entramado es equivalente al funcionamiento de un transformador, en el cual
el primario es nuestra bobina de inducción, y el secundario es el elemento a calentar,
que es equivalente a una sola espira, cerrada con una resistencia, que es la resistencia
equivalente.
13
Figura 2.4 Principio de funcionamiento del calentamiento por inducción electromagnética.
OBSERVACIONES
Una fuente de alimentación que genera las corrientes de alta frecuencia.
Un sistema de adaptación de la carga, encargado de acoplar la impedancia de la bobina
a la fuente de alimentación.
Bobina de inducción, situada alrededor del objeto a calentar y se encarga de generar el
campo magnético necesario.
Las bobinas con mayor número de espiras transfieren más energía.
La energía disipada, aumenta con la resistividad del material, así la energía disipada
aumenta con la temperatura, porque también aumenta la resistividad.
Los componentes básicos de un sistema de calentamiento por inducción son una fuente
de alimentación de CA, una bobina de inducción y la pieza que se va a calentar. La
fuente de alimentación transmite corriente alterna por la bobina, con lo que se genera un
campo magnético. Cuando se coloca la pieza dentro del campo magnético de la bobina,
aparecen corrientes por efecto de la inducción en su interior, generándose calor puro en
cantidades precisas y localizadas sin que exista un contacto físico directo.
2.5.1 Componentes Básicos,
Los componentes básicos de un sistema de calentamiento por inducción son: la fuente
de potencia, la estación de calentamiento, el espiral inductor, y la pieza a trabajar o
material a calentar.
14
2.5.1.2 Fuente de potencia.
Normalmente recibe 380/400V, que es rectificada y regulada. Luego alimenta el
conversor de frecuencia, quien permite la generación del campo magnético en el espiral.
La potencia de la fuente determina la velocidad relativa del calentamiento de la pieza.
Los equipos de menores potencias son de 5-15kW, y los mayores de 50-250kW. Todos
estos equipos, y los mayores principalmente requieren agua de enfriamiento, que circula
en todo el equipo (conversor de frecuencia) incluso el espiral. Figura 1.4
Figura 2.5 Fuente de Potencia
En la figura se muestra un ejemplo de fuente de potencia para el calentamiento por
inducción electromagnética
2.5.1.2 Estación de calentamiento.
En la mayoría de las aplicaciones es una estación remota, vinculada a la fuente a través
de un cable flexible. Esta puede ser ubicada hasta una distancia de 60 m de la fuente. En
aplicaciones de menor potencia la estación está integrada a la fuente. Para aplicaciones
de menor potencia los equipos tienen integrada la fuente.
Las estaciones poseen una serie de capacitores de resonancia que tienen por finalidad
ajustar la frecuencia y/o el voltaje de operación a la aplicación y material particulares.
Las estaciones de calentamiento son enfriadas por circulación de agua. Son por lo tanto,
las terminales de conexión eléctrica y de agua de enfriamiento para los tubos de espiral
como podemos observarlo en la Figura 1.5.
15
Figura 2.6 Terminales de conexión de agua y tubos
2.5.1.3 Espiral inductor.
Normalmente está fabricado con tubos de cobre enfriados por agua, normalmente de
diámetros entre 1/8” y 3/16”, y el tamaño y la forma del mismo dependen de la pieza a
calentar y de las variables del proceso particular. Un adecuado diseño del espiral es
crítico para logra un perfil de calentamiento apropiado y una máxima eficiencia de la
energía consumida, sin sacrificio de la facilidad de inserción y extracción de la pieza a
trabajar.
Los espirales inductores pueden ser de lazo simple o múltiple, de perfil helicoidal,
redondo o rectangular, internos o externos, con una variedad infinita de espiral para
calentamientos localizados o para superficies irregulares y complicadas. Figura 1.6 En
la figura se muestra un diseño de bobina o tubo espiral usado para el calentamiento por
inducción electromagnética.
2.5.1.4 Materiales de Trabajo
Los materiales que se pueden trabajar son de tipo Magnéticos, principalmente los
ferromagnéticos, se calientan más fácilmente que los materiales no-magnéticos
(diamagnéticos), debido al calentamiento adicional por el efecto de histéresis. La
diferencia entre ambos tipos de materiales es que los magnéticos, ante la presencia de
un campo magnético exterior, generan su propio campo magnético que refuerza el
exterior (imantación) Al variar el campo magnético exterior, la imantación remanente
produce la histéresis, que se puede entender como la resistencia natural de los material
al cambio rápido en el sentido del flujo magnético. Por el contrario, los materiales
diamagnéticos generan en sí mismo un campo magnético opuesto, que debilita el campo
magnético exterior.
En definitiva, y debido a la estructura atómica de las sustancias, todos los materiales
poseen propiedades magnéticas.
La medida que representa la resistencia de los materiales a seguir la alternancia de un
campo magnético que lo excita, es la permeabilidad magnética. Los materiales
denominado no-magnéticos o diamagnéticos tienen valores de permeabilidad de
16
alrededor de 1. Para los ferromagnéticos oscila entre 100 y 500. A igualdad de otros
parámetros del proceso de inducción magnética, a mayor permeabilidad, menor
profundidad de penetración del calentamiento sobre la superficie, y mayor rapidez de
calentamiento (calentamiento adicional por histéresis).
Otro punto a tener en cuenta en relación a la pieza o material a trabajar es la distancia
entre esta y el espiral inductor. Cuando este apareamiento es más cercano, se induce
flujo de corriente mayor sobre la superficie inducida, y por ende, se incrementa la
cantidad de calor producida.
Si bien el calentamiento por inducción es usado normalmente sobre materiales ferro-
magnéticos, es posible el calentamiento de materiales plásticos y otros no-magnéticos,
de manera eficiente y rápida, haciendo uso de materiales susceptivos que sean
magnéticos (metales). El material susceptivo es utilizado para trasferir el calor a la pieza
o material objetivo por medio de la conducción y/o radiación térmica. Los materiales
normalmente usados como susceptivos son el grafito, molibdeno, carburo de silicio,
acero inoxidable, aluminio y otros metales.
2.6 Descripción de equipo y herramientas.
Para la construcción y diseño del equipo deseado, se requiere de un tipo de maquinaria
especial, ya que por la naturaleza del trabajo todos los componentes de la máquina son
de importación así que se procederá a realizar la descripción pertinente.
2.6.1 Sistema de calentamiento por inducción.
El Sistema de calentamiento por inducción que se tiene para esta máquina es de la
marca RDO, modelo Flex Heat-Series Universal Induction Heating System Flex Heat
5/8 Kw (figura 2.8). A continuación se enlistan los componentes de este sistema y se
muestran las especificaciones necesarias para realizar los diseños de alojamiento del
sistema de calentamiento.
17
2.7 Sistema de calentamiento por inducción modelo Flex Heat-Series Universal Induction
Heating System Flex Heat 5/8 Kw.
El Flex Heat 5/8 es una sistema de calentamiento general para propósitos de inducción
diseñado para trabajar con una gran variedad de bobinas personalizadas. Se compone de
dos partes principales:
Fuente de alimentación - genera energía de RF para suministrar el circuito de
salida.
Estación de calor - casas de la salida del circuito y de interfaces que con la carga
por medio de una bobina de inducción externa.
La unidad está controlada digitalmente a través de un panel de control situado en la
fuente de alimentación delantera. Ambos, la fuente de alimentación y la estación de
calor están encerrados en estuches compactos.
Los cables resistentes y flexibles son la interfaz de la fuente de alimentación con la
estación de calor.
18
2.6.2 Fuente de alimentación
Especificaciones
Enfriamiento
Refrigerado por agua de 1 lpm
(0.25GPM)
Velocidad de flujo
mínimo requerido
Dimensiones del
modulo
W x D x H in/(mm)
17” x 21”x 15.7” (430 x 530 x 400)
Dimensiones máximas
sin asas
Peso
62 lb (28 kg)
Peso neto
Potencia máxima
Flex Heat 5 - 5.0 kW
Flex Heat 8 - 8.0 Kw
230 VAC entrada
(nominal)
Rangos de temperatura
32°F (0°C) to + 104°F (40°C)
-4°F (-20°C) to + 150°F (65°C)
Operación
Almacenamiento
Tabla 1. Especificaciones de fuente de alimentación.
Figura 2.8 fuente de alimentación para sistema de calentamiento por inducción.
2.6.3 Estación de calor
Descripción del producto: Estación de calor - circuito de salida y con interfaces que lo
carga por medio de una bobina de inducción externa (figura 2.10).
La estación de calor consiste en un transformador de salida con derivaciones múltiples,
el agua tanque refrigerado montaje condensador y terminales de salida para el montaje
de la bobina de carga.
19
Especificaciones
Enfriamiento
Refrigerado por agua de
4,5 lpm (1,2 GPM )
Velocidad de flujo mínimo
requerido
Dimensiones del modulo
W x D x H in/(mm)
21,1” x 17,3” x 10,4” (537
x 440 x 265)
Dimensiones máximas sin
bobina
Peso
55 lb (25 kg)
Peso neto
volts de salida
600 V
Max (dependiendo de la
tapa del tanque
Nota)
Tabla 2. Especificaciones de estación de calor.
2.9 Estación de calor
2.6.4 Recirculador de agua
Para lograr esta función se utiliza un enfriador tipo chiller, que es un sistema basado en
un radiador y una bomba para la recirculación del fluido refrigerante. Se le introducen
seis galones de agua destilada como elemento enfriador manteniendo así a los
transistores, transformadores, módulo de potencia y a la bobina de inducción en una
temperatura menor a 20 con una presión entre 40 a 60 psi y un flujo de 5.7 LPM. Este
elemento es de la marca RDO induction L. L. C. fig. 2.11.
20
2.10Recirculador de agua de la marca RDO induction L. L. C.
2.6.5 Bobina de inducción
La bobina de inducción es un diseño especial para trabajar a altas temperaturas está
fabricada de cobre electrolítico. En la figura 2.12 se muestra el diseño, las
especificaciones y dimensiones de la bobina de inducción,
21
2.6.6 Pirómetro óptico
En cuanto al sensado de la temperatura de la probeta, se cuenta con un pirómetro óptico de
doble espectro de la marca Raytek (fig. 2.13) el cual es utilizado para la medición de altas
temperaturas donde no es recomendable o no es posible el contacto con la fuente de calor.
Su principio se basa en medir radiación térmica de un objeto (zona infrarroja del espectro de
frecuencia) en longitudes de onda muy cercanas, el pirómetro óptico de dos colores determina
el valor de la temperatura que tiene el cuerpo dado, en base a la cantidad de energía emitida
en una banda cercana de la segunda longitud de onda las figuras 2.13 y2.14 presentan una
vista del pirómetro óptico utilizado.
Figura 2.13 Pirómetro óptico marca Raytek
Figura 2.14 caratula de medición del pirómetro óptico marca Raytek
2.6.7 Otros componentes
La máquina de torsión además está constituida por una bancada que soporta:
Un motor de corriente continua de 5kw de potencia nominal que esta acoplado a
un generador de impulsos óptico de 1200 puntos y de dinamo taquimétrico.
Una caja de transmisión de velocidades de relaciones 1/10 y 1/1.
Un freno-embrague electromagnético.
22
Una flecha de salida del freno-embrague, una mordaza equipada con un disco de
posición y un ensamble de detección optoeléctrico.
Un ensamble de medición de esfuerzos que porta una mordaza fija.
Todos estos componentes se montan sobre placas de soporte pudiendo deslizarse sobre
la bancada.
2.7 Selección de materiales para diseño.
El proceso de selección de materiales para aplicaciones de diseño puede ser mejorado
mostrando un diagrama de flujo. Dos ejemplos se presentan en la figura. 2.15 y 2.16. La
Figura 2.15 muestra las interrelaciones entre las propiedades de los materiales, la
geometría de diseño y procesos de fabricación. La figura 2.16 presenta un diagrama de
flujo más detallado para su uso en la selección del material, en la que el ingeniero de
diseño determina en primer lugar la aplicación y la configuración (forma) de la
estructura o el montaje. Los problemas ambientales que la estructura encontrara durante
el transporte, almacenamiento y servicio son entonces identificados. Por último, una
base de datos de material de propiedad integral se desarrolla, que incluye las
propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión requeridos para obtener un
rendimiento óptimo bajo las condiciones de operación esperados de los diseños. Estas
propiedades incluyen:
Resistencia a la tracción
0,2% de compensación para el limite elástico
Resistencia al impacto
Dureza
Resistencia a la fractura
La corrosión y resistencia al desgaste
Peso (este factor es muy importante para los vehículos de aire, tierra y mar)
23
Fig.2.15 Relación entre las propiedades del material, la geometría del diseño y las
características de fabricación. El costo total, la masa, y el rendimiento de los
componentes del equipo están determinados por tres factores de diseño.
Una vez que estos parámetros iniciales se definen y los datos son recogidos, el ingeniero
de diseño construye una lista del material candidato más adecuado donde el mejor
material es elegido para la aplicación estructural específica.
Esta lista debe incluir la fabricación y las prácticas de aseguramiento de calidad
aplicado durante la fabricación de cada material candidato, porque la garantía de
fabricación y la calidad tienen una influencia significativa en las propiedades del
material y el costo del producto final. Por ejemplo, en el caso de estructuras de acero, el
proceso de producción puede incluir varios tipos de tratamientos termomecánicos con el
fin de cumplir con los requisitos estructurales de resistencia sustancialmente
incrementados.
24
Fig.2.16 Diagrama de flujo del proceso de selección de materiales.
El ingeniero de diseño determina el mejor material para la aplicación deseada, basado
en el costo de cada material candidato. Farag se ha ocupado de estos aspectos de la
selección de materiales mediante la comparación de los costos de los diversos
materiales de ingeniería metálicos, no metálicos y materiales compuestos. Las figuras
2.17 y 2.18 ilustran los datos de costos comparativos para los materiales de
construcción, utilizando el costo del acero al carbono laminadas en caliente como una
base. El costo por unidad de volumen por unidad de resistencia a la tracción final se da
para varios materiales de ingeniería en la figura 2.19, que utiliza el costo de acero
estructural como una base. La figura 2.19 es útil en la selección de materiales para la
construcción de estructuras que son sometidos a grandes esfuerzos en servicio y que por
tanto se requieren altas resistencias a la tracción finales.
25
Fig. 2.17 Comparación de algunos materiales de ingeniería en base del costo por unidad de
volumen relativo a comparado con el costo del acero rolado en caliente.
Fig. 2.18 comparación de algunos materiales de ingeniería en base del costo por unidad de peso
relativo a comparado con el costo del acero rolado en caliente.
26
Fig. 2.19 Comparación de algunos materiales de ingeniería en base del costo por unidad de
volumen por unidad esfuerzo de tensión último relativo al costo del acero estructural. `
Las figuras 2.20 y 2.21 se puede utilizar sobre todo en la selección de materiales de
tecnología avanzada para el sector aeroespacial, automoción y vehículos marinos que a
menudo exigen que el producto final use materiales que posean una relación
resistencia-peso alta y el menor peso posible. La Figura 2.20 compara algunos
materiales de ingeniería en base a su costo por unidad de volumen por unidad específica
de resistencia a la tracción, utilizando acero estructural como la base.
La figura 2.21 compara la fuerza frente a la densidad de algunos materiales de
ingeniería. Para los metales y polímeros, esta fuerza es la resistencia a la fluencia
inicial, debido a que estos materiales han sido trabajados mecánicamente. Para
cerámicas frágiles, la fuerza es la resistencia al aplastamiento en compresión. Para
elastómeros, la fuerza es la resistencia al desgarro. Para materiales compuestos, la
fuerza es la fuerza de tracción de fallo.
El ingeniero de diseño tiene dos alternativas económicas en el proceso de selección de
materiales, uno puede determinar los materiales que es de menor costo para la tarea
dada; o se puede seleccionar un material cuyo coste es mayor que el material menos
costoso, pero es más fácil (y, por lo tanto, más barato) para fabricar y procesar. Por
ejemplo, el uso de láminas de acero pretemplado es un ejemplo en el que un material
más caro proporciona al usuario un producto final que es más baja en el costo. Este
ahorro de costos resulta de una reducción de los requisitos de procesamiento de
materiales, específicamente, la eliminación del tratamiento térmico.
27
Fig. 2.20 comparación de algunos materiales de ingeniería en base del costo por unidad de
volumen por unidad de esfuerzo relativo especifico al costo del acero estructural.
Las diez preguntas del análisis del valor materiales se enumeran a continuación pueden
ser utilizadas por el diseñador para determinar el material más rentable para una
aplicación específica. En este análisis cada pregunta se aplica a los materiales y
procesos específicos. El valor de un material candidato se considera para ser mayor si la
respuesta a todas las diez preguntas es no.
¿Podemos prescindir de esto?
¿Hace más de lo que pregunta?
¿Hay que pagar más de lo que vale la pena?
¿Hay algo que hace el trabajo mejor?
¿Puede ser realizado por un método menos costoso?
¿Puede ser usado por un elemento estándar?
¿Teniendo en cuenta las cantidades utilizadas, podría un método usar herramienta
menos costosa?
¿Hay que pagar más que el total de mano de obra razonable, gastos generales,
materiales, y el beneficio?
¿Puede alguien más proporciona a un menor costo sin afectar a la fiabilidad?
¿Si se tratara de su dinero, te negarías a comprar el artículo, ya que cuesta demasiado?
Las decisiones finales de selección de materiales deben basarse en la totalidad de los
datos recogidos en el transcurso de la toma de decisiones. Para el diseño de aplicaciones
tanto militares como comerciales, los ingenieros de diseño deben ser especialmente
conscientes de la necesidad de una resistencia adecuada, resistencia a la fractura, y la
corrosión y resistencia al desgaste. Los factores de selección de materia prima se
28
enumeran a continuación se debe utilizar en todos los casos en que debe ser una
decisión tomada a favor o en contra de la selección de un material estructural.
• Requisitos funcionales y restricciones
• Propiedades mecánicas
• Diseño de configuración
• Los materiales disponibles y alternativas
• Fabricabilidad
• La corrosión y resistencia a la degradación
• Estabilidad
• Propiedades de interés único
• Costo
2.21 Diagrama esfuerzo a la cedencia vs densidad
2.7.1 Especificaciones y Estándares
A lo largo del proceso de diseño, el ingeniero que se encarga de tomar la decisión final
de selección de materiales debe ser consciente, y hacer referencia a los resultados
pertinentes y las especificaciones del producto y las normas. Especialmente en el caso
que implican construcción militar, conformidad de normas y especificaciones indicadas
que la estructura final y el producto ha sido adecuadamente diseñado, de modo que se
soporten las tensiones ambientales y esfuerzos mecánicos de la parte que se espera
encontrar en servicio. El ingeniero de diseño debe asegurarse que la norma se aplica al
producto que está siendo fabricado y debe estar seguro de las garantías estándar que el
producto final se desempeñe satisfactoriamente. Para una descripción comprensiva de
29
los requerimientos funcionales para la fabricación adecuada del producto final, el
ingeniero de diseño debe hacer referencia a la especificación (material) del producto.
Los requisitos de especificaciones de productos pertenecen a las configuraciones,
materiales, tolerancias, método de fabricación, y otros requisitos de material y proceso.
El ingeniero de diseño debe estar relacionado con estos requisitos de rendimiento de
productos directamente a las propiedades mecánicas, físicas y químicas a las que el
producto final debe ajustarse, de manera que el producto pueda ser considerado para uso
estructural.
2.8 Ciclo de Vida estructural y los modos de fallo
Los ingenieros de diseño pueden mejorar las estructuras por la comprensión de los
resultados globales de estos componentes, basados en la experiencia real. Varios tipos
de deterioro del material y la fractura se han producido en componentes utilizados en
equipos militares y comerciales. Estos modos de falla incluyen corrosión, factura y
fatiga.
La corrosión se define como la degradación del material por una reacción con el medio
ambiente. El material es generalmente un metal, y la reacción, en la mayoría de los
casos, es de naturaleza electroquímica. Entre las formas más importantes de la corrosión
que se han observado son los siguientes:
Grietas y corrosión por picadura.
Corrosión bajo tensión.
erosión-corrosión.
Corrosión microbiológica.
Corrosión de los metales bajo revestimientos orgánicos
Hay dos tipos importantes de fallas por revestimiento son adhesiva y cohesiva. En fallo
del adhesivo, que tiende a desarrollarse con revestimientos fuertes, la película rompe la
unión adhesiva y las cáscaras de la superficie. Fallo cohesivo es un fenómeno en el que
el recubrimiento sólo en parte se adhiere al sustrato. Fallo cohesivo se produce cuando
el material de revestimiento tiene fuerza inferior interna (cohesión) en comparación con
su fuerza adhesiva.
Fractura es un tipo de fallo catastrófico que puede ambos frágil o dúctil. Fractura
frágil es más probable que ocurra en grandes estructuras compuestas de materiales de
alta resistencia bajo altas esfuerzos. Los fallos de agrietamiento por corrosión bajo
tensión pueden ser caracterizados como fractura frágil cuando la cepa no se produce
antes del fallo. Las características de fractura dúctil, también conocida como fallo por
sobrecarga dúctil, son que la fractura se produce a 45 ° con la tensión aplicada, y el
metal no se deforma antes de la fractura.
30
La fatiga contribuye a una mayor porción del número total de fallos en las estructuras
de ingeniería. Fallas por fatiga se producen debido a repetidas operaciones de carga y
descarga de los miembros estructurales. Los diagramas de diseño de fatiga, llamadas
curvas SN, son utilizados por los ingenieros para predecir la vida útil de los
componentes sometidos a esfuerzos alternativos. La tensión nominal (S) se representa
contra el número de ciclos hasta
2.9 Propiedades de los materiales y diseño
La importancia de las propiedades del material en la determinación de la vida de un
componente específico durante el proceso de diseño. La configuración de diseño es un
factor importante en la selección de materiales, ya que contribuye sustancialmente a las
demandas de servicio que se colocan en estructuras. La probabilidad de fallo estructural
debido al desgaste o la corrosión, por ejemplo, es muy dependiente sobre forma
(configuración) de la pieza. Esta es la razón por la cual los ingenieros de diseño
especifican configuraciones de piezas que incluyen contorneado (redondeada) bordes,
en lugar de los bordes afilados que son difíciles de proteger contra el desgaste y la
corrosión.
Disponibilidad de material. La disponibilidad de un material para la construcción de
equipos es otro factor importante en la selección del material. El material seleccionado
para un componente debe estar disponible (o producido) en la cantidad y configuración
requerida.
Fabricabilidad de material debe ser considerado por el diseño con el fin de determinar
los materiales que ofrecen el mayor número de alternativas de proceso de fabricación.
Materiales que pueden ser fabricados utilizando los procesos deseados (sin precauciones
especiales, tales como la toxicidad del material o de procesamiento por los productos)
son en general deseable para los requisitos de construcción civil o militar.
La fabricabilidad y las propiedades mecánicas son usualmente inversamente
relacionadas. Un ejemplo es la relación entre el contenido de elemento de aleación, la
fuerza y soldabilidad de acero. Como la cantidad de carbono y otros incrementos en el
elemento aleante, la correspondiente soldabilidad y disminución de maquinabilidad.
La susceptibilidad a la corrosión u otros tipos de procesos degradativos es un factor
importante a considerar por los ingenieros de diseño mientras que determinan el
material adecuado para la construcción del producto final. Los ingenieros de diseño
deben ser conscientes de las técnicas de ingeniería apropiados que pueden ser aplicadas
para prevenir o minimizar la corrosión en servicio. Un ejemplo de corrosión galvánica
(electroquímico), que ocurre cuando hay contacto entre el metal diferente.
La corrosión de grieta, que ha sido observada muchas veces en equipos aeroespaciales
militares y comerciales, esta corrosión se desarrolla dentro de las grietas a causa de las
células de concentración de oxígeno. Iones de metal concentran células que puede
31
causar corrosión inmediatamente fuera de la grieta. La corrosión de picaduras de
formación de pozos profundos en áreas específicas del material.
Hay tres métodos comunes para la prevención de la corrosión bajo tensión y son:
eliminar tensiones térmicas (para los aceros inoxidables de la serie 300) para eliminar
las tensiones de fabricación: granallado, que produce una tensión de compresión
residual de protección en una sección delgada de la superficie del material, y
tratamiento térmico, especialmente templado, para reducir las tensiones internas
causadas por el proceso de enfriamiento.
El problema de la fragilización por hidrógeno ha afirmado que la microestructura de los
materiales de acero y defectos de enrejado están directamente relacionadas con la
tendencia del material a fallar por fragilización por hidrógeno. El contenido de azufre en
estos aceros también tiene una influencia directa en la ocurrencia de un ataque de
hidrógeno.
Dureza. La selección de materiales ultraduros para componentes que pueden ser
fabricados a partir de aceros de templabilidad inferior debe ser evitada. Cuando se
especificar resistencia ultraligera o aceros de baja aleación para la construcción
aeroespacial, el ingeniero de diseño debe garantizar que el ciclo de tratamiento térmico
promueve el mayor grado de egreso de hidrógeno a partir de estos materiales para
evitar la fragilidad.
Estabilidad se refiere principalmente a los efectos de la temperatura, tales como las
variaciones de temperatura sobre un material expuesto por un largo tiempo específico.
La estabilidad materiales también puede verse afectada por la radiación, fluidos
radiactivos, productos químicos, microorganismos, u otros factores ambientales.
La economía, como una base para la selección del material. Los precios de las
calidades específicas de materiales estructurales se puede obtener ya sea por referencia a
los manuales de compra o poniéndose en contacto directamente con el fabricante para
cotizar precios.
El ahorro de costos normalmente puede ser realizado en la selección de materiales
cambiando ya sea el productor de fabricación o los procedimientos de fabricación o la
configuración del producto final. Un método sencillo para reducir los costes de material
es cambiar a un material alternativo. Sin cambiar sustancialmente la forma o el
procedimiento de elaboración. Si es mayor el esfuerzo se desea en el material a utilizar,
el coste de un material sustituto se espera que sea mayor.
La magnitud del aumento de los costos dependerá del nuevo material, para los aceros de
alta resistencia y baja aleación (HSLA). Como otro ejemplo, presenta una comparación
de costos entre metálico (magnesio) y partes de compuestos de fibras cortas utilizados
en un sistema de antena de radar. El uso de materiales compuestos de fibra larga para
algunos de los componentes ha dado lugar a un mayor ahorro de costes.
32
El uso de materiales compuestos de fibra larga para algunos de los componentes ha
dado lugar a un mayor ahorro de costos.
Asegurar que los materiales confiables y de bajo costo se seleccionen para el sistema
militar y comercial, siempre será una tarea importante y difícil para los ingenieros de
diseño. Sin embargo, un equilibrio viable debe existir entre los gastos y propiedades de
los materiales estructurales. Por ejemplo, la resistencia a la corrosión, abrasión, fractura,
y fatiga debe ser especificada para materiales que serán expuestos a ambientes severos
y carga mecánica, el costo de estos materiales estructurales deseables también deben
ser razonables, en comparación con otros materiales con propiedades similares.
Propiedades mecánicas del material estructural. Algunas de las propiedades
mecánicas generalmente consideradas en la selección del material son la resistencia (a la
tracción y cedencia), dureza, y ductilidad. El ingeniero de diseño también debe hacer el
enfoque de fractura mecánica una parte integral del proceso de consideración de
propiedades mecánicas. Esto asegurará el diseño de una segura estructura resistente a la
fractura por dosificación adecuada del producto final, de modo que no falle ya sea por
sobrecarga de tracción o por inestabilidad de compresión y diseñarlo para evitar la
rotura frágil debido a la propagación de grietas inestable.
Selección de materiales para propiedades mecánicas y físicas únicas. La selección
de una serie de materiales candidatos también puede hacerse más eficiente mediante la
consideración cuidadosa de singulares propiedades mecánicas y físicas, en aplicaciones
aeroespaciales militares y comerciales, las propiedades deseables para materiales de
construcción incluyen ligereza(densidad baja) , resistencia al desgaste, alto límite de
cedencia o la resistencia a la tracción ultima, alto módulo elástico, y características
especiales de dilatación térmica, especialmente en relación con metal-vidrio.
33
CAPITULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 Diseño de elementos mecánicos para máquina de torsión en caliente
Primeramente se desarrolló una inspección para conocer el estado físico del equipo,
para poder efectuar un análisis de cada uno de los componentes mecánicos de la
máquina de torsión en caliente. De esta manera se obtuvo un diagnostico real de la
situación de la misma, a partir de la cual se realizara una rehabilitación de aquellos
elementos y/o sistemas que tengan daño o estén obsoletos.
La máquina fue sometida a un diagnóstico y como resultado de ello se encontró varios
componentes y partes del equipo no funcionales, estos fueron rehabilitados o
sustituidos. Debido a esto, se diseñó y fabricó los siguientes elementos de la máquina:
1. Palanca de sujeción
2. Tina para temple
3. Mesa antimagnética PTR
4. Mesa de soporte para estación remota
5. Sistema de sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes
Todos estos diseños fueron diseñados con ayuda del software auto CAD, a continuación
se enlistan y se detallan las dimensiones de cada elemento diseñado, así como se
muestran las especificaciones necesarias para su fabricación.
3.1.1 Palanca de sujeción
Estas palancas fueron diseñados exclusivamente para tener un punto de apoyo y poder
mover un carro dentro de una guia en la maquina de torsion .
Fue un diseño en base a una palanca que ya existia en la maquina, se tomaron medidas
identicas y se midio por medio de un cuenta hilos el tipo de cuerda que necesitaba para
que pudiera ensamblarse a la maquina con facilidad. Y podemos observar el diseño final
en la figura 3.1 y 3.2.
34
Figura 3.1 diseño de palanca de sujección.
Figura 3.2 diseño de palanca de sujeción detalles.
35
3.1.2 Tina para temple:
Esta pieza fue diseñada exclusivamente para contener el agua refrigerante que es usada
para templar la probeta de prueba, utilizada en el ensayo de torsión.
El diseño cuenta con un barreno en el centro con 4 pendientes con un ángulo de 5
grados para asegurarnos que el agua no se quede estancada y pueda fluir libremente
hacia la tubería de desagüe y poder reutilizarla eficientemente, en la parte inferior del
barreno se colocó un redondo de 1.5cm de largo por 2 cm de diámetro para
posteriormente poder colocar una manguera que sirva para poder evacuar el agua que
se deposite en la tina
La tina tiene medidas de 33 cm de largo por 19.2 de ancho y una altura de 9.5 cm,
medidas necesarias para asegurarnos que el agua no caerá fuera del contenedor y reducir
espacio aprovechable como podemos ver en la figura 3.2.
El diseño requería que la tina estuviera totalmente fija, sin movimiento alguno para
evitar que pudiera derramarse el agua fuera del contenedor debido a algún movimiento
involuntario, para ello se soldaron 2 aletas en la parte frontal de la misma, lo
suficientemente grandes para poner un barreno de ½ pulgada y así poder aprovechar 2
barrenos que ya se encontraban en la máquina. Con esto nos aseguramos que no tendrá
ningún movimiento ya que estará fija en la estructura de la máquina.
También se soldó una pata en forma de L en la parte trasera de la tina para evitar que el
peso se cargara hacia la parte trasera.
Para la fabricación de la tina se utilizó una lámina de 1/8 de acero inoxidable.
Figura 3.3 diseño de tina para temple
36
3.1.3 Mesa antimagnética PTR
Este diseño es una simple estructura construida con PTR de 1x1 pulgadas y servirá para
alojar la fuente de frecuencia de alta potencia para calentamiento de inducción y
recirculador de agua de la marca RDO induction L. L. C.
La única especificación importante en este diseño es que fuera una estructura
antimagnética ya que el equipo de frecuencia de alta potencia para calentamiento
genera un campo magnético y sería perjudicial que la estructura se fabricara de un
material magnético.
Para resolver este problema la estructura se fabricó de acero inoxidable. El diseño final
podemos observarlo en la figura 3.4.
Figura 3.4 Diseño de mesa antimagnética PTR
3.1.4 Mesa de soporte para estación remota de la marca RDO induction
L. L. C.:
Esta estructura fue pensada en un principio para que fuera una ménsula fijada a la
bancada de la maquina donde se alojaría la estación remota, en ese diseño inicial
tuvimos muchas dificultades con respecto al espacio a la hora de fijarlo debido a que no
se tomaron en cuentan todos los componentes que formarían parte del sistema, por lo
que se tuvo que hacer un trabajo de reingeniería para arreglar el problema y poder
utilizar la estructura que ya se había fabricado.
37
El diseño original tenía cuatro barrenos en la parte superior de la estructura para que se
pudiera fijar la estación remota completamente para evitar que tuviera algún
movimiento y se pudiera caer, lo único que se hizo fue corregir los barrenos para
ajustarlos bien a la medida de la estación remota ya que hubo errores en la fabricación.
Después se discutió y se concluyó que la mesa quedaría fija al piso por cuatro patas de
PTR de 1x1 pulgadas estas estarían soldadas a la ménsula cada una en una diferente
esquina, para evitar que las patas pudieran abrirse con el peso se colocó un cinturón en
la parte inferior de estas para asegurarnos de que mantuvieran la rigidez necesaria.
Otro inconveniente que se presento fue que la estructura no estaba fija con ningún
elemento, lo que conllevaría a que la estructura estuviera en peligro de moverse y salir
de la posición continuamente, por lo que se decidió por medio de unas barras de
sujeción anclar la estructura de las patas a la bancada para evitar su movimiento. El
detalle de las barras de sujeción se puede observar en la figura 3.5.
Figura 3.5 diseño de Mesa de soporte para estación remota
38
Barras de sujeción :
Figura
3.6 diseño detalle de barra de sujeción
3.1.5 Sistema de sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes.
Esta estructura se diseñó para soportar un pirómetro óptico marca Raytek maratón series
con una característica especial de movimiento sobre cuatro ejes diferentes, para poder
posicionar adecuadamente y a voluntad distancias y enfoque requeridos sobre la
probeta.
Para este diseño se encontraron varios problemas que restringían el diseño de la
estructura como eran: la distancia entre el pirómetro y la probeta, el espacio útil
disponible, el movimiento sobre diferentes ejes, el tamaño del pirómetro.
La primera restricción sobre el diseño y en la que prestamos mayor atención debido a su
importancia ya que influiría directamente con los resultados obtenidos en el ensayo de
torsión es la distancia que se requería entre el lente del pirómetro y la superficie de la
probeta, según especificaciones del pirómetro óptico la distancia mínima de medición
debía estar entre un rango de 25 a 27 cm con un ángulo de inclinación de 45°. Para ello
se sacaron las mediciones correspondientes de la máquina de torsión y con ayuda del
programa AUTO CAD 2011 se obtuvieron las medidas necesarias para cada una de los
diferentes componentes del sistema de sujeción tomando en cuenta el ángulo adecuado
de enfoque mencionado anteriormente.
El segundo problema que se presento fue como se iba a sujetar el pirómetro a la
estructura, fue una decisión difícil ya que el tamaño y la forma del pirómetro nos hiso
imposible diseñar un sistema de una sola pieza así que se generaron dos piezas de
39
ensamble que pudieran sostener al pirómetro, este presenta una parte que se ensambla
por medio de una rosca así que aprovechamos esta pieza para introducir la primera pieza
del diseño figura 3.7 después se ensambla la segunda pieza figura 3.8 y se atornilla para
ensamblar la estructura.
Figura 3.7 primera pieza de sujeción del pirómetro
40
Figura 3.8 segunda pieza de sujeción del pirómetro óptico.
Lo siguiente fue diseñar las estructuras necesarias para que el pirómetro se pudiera
mover sobre cuatro ejes diferentes.
El tercer componente del sistema es una estructura en forma de Y como puede
observarse en la figura 3.9 que será colocada sobre la estructura del pirómetro anterior,
este componente nos ayudara a obtener el movimiento ascendente y descendente según
se requiera sobre el eje “y”.
Para lograr este movimiento se barreno dos correderas de 8 cm juego cada una sobre
una cada aleta lateral de la estructura, para sujetar y ajustar la altura se usara un torillo
de una pulgada, adecuado para soportar el peso del pirómetro óptico y evitar algún
desgaste por fatiga y darle una vida útil más larga a nuestro sistema de sujeción.
41
Figura 3.9 Elemento de movimiento en el eje Y del sistema de sujeción del pirómetro óptico.
El siguiente diseño es una estructura con dos partes rectangulares en cada lado con una
corredera de 8 cm que servirá para realizar el movimiento enfrente-atrás sobre el eje “z”
unido por una barra circular de 2 cm de diámetro con la cual se obtendrá un movimiento
lateral izquierda-derecha sobre el eje “x”.
Para lograr que la barra quedara rígida y no tuviera algún movimiento, se colocaron dos
seguros truack para evitar que la barra se recorriera o pudiera salirse de su posición.
42
Figura 3.10 sistema de movimiento en el eje” x” y “z” de la estructura del pirómetro óptico.
Ahora solo queda el diseño del cuarto movimiento, este es un movimiento de rotación
para ajustar el ángulo adecuado de 45°, para ello se diseñó un pequeño cubo que será
insertado dentro de la barra para que pueda girar a voluntad y con dos tornillos de ajuste
poder apretar el cubo contra la barra para obtener el ángulo adecuado.
Este cubo de paso servirá de sistema para ensamble para unir los sistemas de
movimiento y el sistema de sujeción del pirómetro.
43
Figura 3.11 cubo de ensamble y movimiento en el eje x
Figura 3.12 estructura del pirómetro en 3D.
44
En la figura 3.12 podemos observar el modelo en 3D de la estructura de sujeción para el
pirómetro óptico.
Esta estructura fue diseñada especialmente para que el pirómetro pudiera tener un
desplazamiento en 4 ejes diferentes y así poder ajustar y modificar el enfoque del
pirómetro asía la probeta de ensayo.
Esta estructura tiene un movimiento arriba-abajo sobre el eje “y” movimiento lateral
izquierda-derecha sobre el eje “x”, un movimiento enfrente-atrás sobre el eje “z” y un
movimiento rotacional sobre el eje x.
Esta estructura como se mencionó anteriormente fue fabricada en acero inoxidable.
45
CAPITULO 4 RESULTADOS.
4.1 Análisis experimental de esfuerzos.
El método de elemento finito permite analizar tensiones, fuerzas y desplazamientos a
los que están sometidos los diseños correspondientes con el objeto de comprobar el
correcto diseño de las estructuras.
A continuación se analiza mediante elemento finito (ANSYS) la estructura de sujeción
del pirómetro óptico y la mesa soporto de la estación remota, se lleva a cabo un análisis
estático y modal para ver cómo se comportan estas estructuras al aplicarles una carga
determinada.
4.1.1 Análisis modal
Análisis modal del diseño de la Mesa de soporte para estación remota de la marca RDO
induction L. L. C.
A este diseño se le realizó un análisis modal en el cual se analiza la frecuencia natural
de la estructura con ayuda del software ANSYS para análisis de esfuerzos. Se
analizaron 5 modos diferentes de vibración se seleccionó un elemento tipo shell63 y los
resultados se muestran en las siguientes figuras. Tomamos como propiedades del
material las propiedades del acero inoxidable 316.
E=210x109 N/m
2
RP=0.29
Fig. 5.1 Vista de la estructura de la mesa soporte modelada en ANSYS con sus respectivos
apoyos y cargas aplicadas.
46
La estructura tiene cuatro apoyos en sus diferentes patas solo se restringe el movimiento
en el eje “y”. También tiene apoyos en las barras frontales donde tiene una restricción
de movimiento total ya que estas barras irán atornilladas y empotradas a la bancada y
esto no permitirá su movimiento.
En la estructura se le aplicaron cargas distribuidas en toda el área de la parte superior de
la estructura de 100 N como se puede observar en la fig. 4.1.
Fig. 5.2 mallado de la estructura y aplicación de la carga correspondiente (área roja)
4.2 Modos de vibración en la estructura modelada.
En el diseño de la estructura se realizó un análisis modal con 5 diferentes modos de vibración
para analizar su comportamiento estos diferentes modos de vibración se presentan a
continuación.
47
4.2.1 Primer modo de vibración.
Figura 5.3 Vista en isométrico del primer modo de vibración.
Fig. 5.4 Vista lateral del primer modo de vibración
En las figuras 5.3, 5.4 y 5.5 podemos observar el primer modo de vibración se puede
observar que el movimiento es de un modo lateral y el mayor desplazamiento se
encuentra en las patas traseras de la estructura y esto es lógico ya que la estructura solo
esta empotrada en la parte frontal y aquí es donde se presenta la menor deformación.
48
Fig. 5.5 Vista superior del primer modo de vibración
4.2.2 Segundo modo de vibración
Fig. 5.6 Vista isométrica del segundo modo de vibración
49
Fig. 5.7 Vista lateral del segundo modo de vibración
En la figura 5.6 y 5.7 podemos observar el movimiento del segundo modo de vibración,
este movimiento solo afecta la parte frontal de la de la estructura donde la mayor
deformación se puede observar en la parte de las barras de sujeción inferior.
4.2.3 Tercer modo de vibración
Fig. 5.8 Vista en isométrico del tercer modo de vibración
50
Fig. 5.9 Vista inferior del tercer modo de vibración.
En la figura 4 y 5 podemos observar el movimiento del tercer modo de vibración, este
movimiento es parecido al modo de vibración 2 solo que en este modo de vibración se
presenta un movimiento asía enfrente y asía atrás e igualmente que en el movimiento 2
la mayor deformación se presenta en las barras de sujeción inferiores.
4.2.4 Cuarto modo de vibración
Fig. 5.10 Vista en isométrico del tercer modo de vibración
51
Fig. 5.11 Vista lateral del cuarto modo de vibración
Fig. 5.12 Vista superior del cuarto modo de vibración
En las figuras 5.10, 5.11 y 5.12 se muestra el quinto modo de vibración aquí los
movimientos nos son uniformes en un solo sentido sino que los movimientos ya tienen
un cierto ángulo y los mayores desplazamientos se localizan en la patas traseras de la
estructura principalmente en las partes inferiores.
52
4.2.4 Quinto modo de vibración
Fig. 5.13 Vista en isométrico del quinto modo de vibración
Fig. 5.14 Vista lateral del quinto modo de vibración
53
En las figuras 5.13 y 5.14 podemos observar el movimiento del quinto modo de
vibración, donde podemos apreciar que las máximas deformaciones se encuentran en las
patas delanteras de la estructura, el movimiento de vibración es de un modo lateral con
una intensidad mayor en la parte superior y l parte inferior sobre la estructura,
MODO DE
VIBRACIÓN
ANÁLISIS MODAL CON CARGA 30 kg
FRECUENCIA HZ DESPLAZAMIENTO
MAXIMO (cm)
1 1.625 0.3879
2 2.887 0.2087
3 3.054 0.2094
4 3.219 0.4242
5 4.392 0.4131
Tabla 5. Resultados del análisis modal para la mesa soporte
En la tabla 5 se pueden observar los resultados del análisis modal aplicado a la mesa
soporte donde se presentan sus respectivas frecuencias y su desplazamiento máximo
están expresado en cm.
4.3 Diseño, selección de materiales y análisis estático de esfuerzos del
sistema de sujeción del pirómetro óptico de cuatro ejes.
A este diseño se le realizó un análisis estático para analizar los desplazamientos
máximos y los esfuerzos críticos de la estructura, para poder verificar que las
dimensiones y el material seleccionado se comportan de manera eficiente con ayuda del
software ANSYS para análisis de esfuerzos.
Se seleccionó un elemento tipo shell63 y los resultados se muestran en las siguientes
figuras. A continuación se presenta el análisis y selección del material adecuado para el
diseño del sistema de sujeción para pirómetro óptico de cuatro ejes tomando en cuenta
propiedades y costo respectivo, también se hiso un análisis de elemento finito para
verificar que el diseño funcione adecuadamente y comprobar que el material
seleccionado fue el correcto.
4.3.1 Especificaciones técnicas.
Para poder realizar el análisis de la estructura debemos partir de conocer las condiciones
de explotación a que va estar sometido el mecanismo, además de las medidas necesarias
para su correcto funcionamiento, partiendo de este análisis previo tuvimos que: el
mecanismo va a estar sometida hasta tres kilogramos de carga que le va a concentrar en
54
la parte central de la barra superior donde se presenta el movimiento izquierda-derecha,
ya que, en ese lugar se producen las desviaciones máximas del material, además según
las medidas tomadas en el área de trabajo la barra circular tendrá 15 cm de longitud y
una circunferencia de 2 cm de diámetro, lo que la hace factible para el desarme. Con
todos estos datos partimos a realizar el estudio y dimensionamiento de las partes
componentes de la estructura de sujeción del pirómetro óptico para así dar una
propuesta final del diseño.
4.3.2 Selección de materiales.
Análisis y selección de materiales.
1.- Recolección de datos (consideraciones)
Propiedades del material
Propiedades
Resistencia a la fricción
Resistencia al desgaste
Resistencia a la corrosión
Bajo peso
Confiabilidad
Medio ambiente
Vida
Costo
Geometría del diseño
Cargas
Medio ambiente
Selección del material
Calidad
Fabricación disponible
Vida
Masa (bajo peso)
o Apariencia (Barra buena calidad superficial)
Características de fabricación
Equipo
Efecto sobre materiales
Configuración
Herramientas
Costo
55
2.- Se construye una lista del material candidato (Verificar si es necesario tratamiento
térmico)
o Acero inoxidable 316
o Hierro dúctil nodular A 536
o Aleación de aluminio 2014
56
El acero inoxidable 316 presenta una gran resistencia a la corrosión además que tiene
buenas propiedades no magnéticas y las piezas pueden recibir tratamiento térmico
después del maquinado para obtener mejores propiedades. Su buena resistencia a la
corrosión ambiental y su resistencia a la fatiga lo hace un material adecuado para
nuestro diseño.
El hierro nodular tiene las siguientes características mecánicas como la combinación de
resistencia, ductilidad y tenacidad, Buena respuesta al endurecimiento superficial así
que puede endurecerse por medio de tratamientos térmicos
La aleación de aluminio 2014 es una aleación endurecible por precipitación con buena
resistencia después del tratamiento térmico. Es usada comúnmente en la manufactura
de estructuras de aviones y de camiones. La maquinabilidad es buena cuando la aleación
está en condición de recocido, se presentan ciertas dificultades para mecanizarla cuando
ha sido tratada térmicamente. En las herramientas de corte deben usarse ángulos de 15º
para el de salida de viruta frontal, 20º de ángulo de salida de viruta lateral y 10º de
ángulo de desahogo. En el mecanizado se recomienda utilizar siempre el uso de
lubricantes como aceites o queroseno. Puede realizarse tratamiento térmico y de forja
3.- Usar gráficas para comparar costos
Figura 5.15 Grafica comparativa de precios en base al costo por unidad de peso
En esta grafica se comparan de algunos materiales de ingeniería en base del costo por
unidad de peso relativo comparado con el costo del acero rolado en caliente.
Esta grafica es de gran utilidad para comparar y hacer un análisis rápido del precio de
algunos materiales comerciales usados en ingeniería. En la grafica se observan la
relación de precios de los materiales seleccionados (acero inoxidable, aleación de
57
aluminio 2014 y hierro nodular A536) y se observa de manera clara que la aleación de
aluminio 2014 yes la que tiene un precio mayor en comparación a los otros materiales
seleccionados aunque tiene la densidad más baja en comparación al acero inoxidable
316 y al hierro nodular A536, aun así su precio lo pone fuera de cualquier posibilidad a
ser seleccionado.
La decisión final se decidirá entre el hierro nodular dúctil y el acero inoxidable 316, el
hierro nodular A536 sería perfecto para nuestro diseño ya que presenta gran
maquinabilidad puede ser endurecido por tratamiento térmico y su precio es
relativamente más bajo que el acero inoxidable como se observa en la figura 5.15.
La única inconveniencia que se presenta en tipo de material, es la disponibilidad ya que
es un material que muy pocas empresas lo fabrican y su uso se centra exclusivamente en
el área aeroespacial y militar.
Por lo que el acero inoxidable 316 es el material final y se selecciona por sus grandes
propiedades de resistencia a la corrosión y al desgaste además que puede recibir
tratamiento superficial como un pavonado para proteger los diseños contra el desgaste,
tiene una densidad alta pero como se verá más adelante en el análisis de deformación y
de esfuerzos, es el material que presenta una mayor resistencia y tiene una deformación
muy pequeña debido a su alta resistencia.
4.3.3 Partes componentes del diseño.
El diseño consta de siete partes componentes para realizar el ensamble del mismo
partiendo de:
1. elemento de movimiento sobre el eje “y” movimiento ascendente-descendente. La
cual se une con las dos piezas que permiten el movimiento sobre el eje “z”. Dos postes
de sección anular para soportar el efecto de pandeo.
2-3. Dos barra guía, que sirve para que se logre el movimiento sobre el eje z enfrente-
Atrás y a su vez se pueda realizar el movimiento sobre el eje “y”.
4. Barra circular. Permite el ensamble de la barra guía y el cubo de rotación y a su vez
sobre este se realiza el movimiento sobre el eje “x” el movimiento izquierda-derecha.
5. Cubo de rotación. Sirve para realizar el movimiento sobre la barra circular y a su vez
permite el movimiento sobre el eje “x” el movimiento izquierda-derecha.
6. elemento de sujeción del pirómetro. Este es la primera pieza que sirve para sujetar el
pirómetro y va unido al elemento 7 mediante tres tornillos de ¼ de diámetro para
asegurar su fijación.
7. elemento de sujeción pirómetro-cubo de rotación. Este elemento va en la parte trasera
del pirómetro y sirve como sistema de unión entre el elemento de sujeción del pirómetro
y el cubo de rotación.
58
Para tener una mejor óptica, así como, las medidas del diseño por cada pieza
realizaremos de forma breve una muestra de cada pieza y de ser necesarias mayores
especificaciones, remitirse al dibujo en el software auto CAD.
4.3.4 Estudio del comportamiento de la estructura.
Para tener un panorama más claro de cómo se comportaría la estructura con los
diferentes tipos de materiales seleccionados en la sección anterior se hiso un análisis de
elemento finito por medio del software ANSYS para analizar los esfuerzos principales y
las deformaciones máximas.
Para analizar la estructura se tomaron los siguientes valores de los 3 diferentes
materiales.
Material DENSIDAD MODULO DE
ELASTICIDAD
Coeficiente de
poisson
Aluminio 2014 2800kg/m3
70GPa 0.33
Acero
inoxidable 316
8000 kg/m3 193GPa 0.28
Hierro dúctil
A536
7100 kg/m3 172GPa 0.28
Tabla 6 propiedades de los materiales estudiados.
A continuación se presentaran las imágenes del análisis de esfuerzos únicamente del
material seleccionado (acero inoxidable 316) y al final se presenta una tabla
comparativa entre los resultados de los análisis con los tres diferentes tipos de
materiales para tener una visión mas clara del por que se selecciono este material.
Análisis estático del soporte 1 estructura con movimiento sobre el eje “y”
Los análisis de esfuerzos del soporte 1 se desarrollaron mediante elemento finito con
ayuda del software ANSYS donde se aplicaron elementos BEAM sobre las barras y
elementos SHELL a las placas de la estructura. La estructura fue sometida a una carga
máxima de 8kg y fue empotrada en la parte de la barra.
Deformación máxima
59
Figura 5.16 Vista isométrica de la deformación máxima de la estructura
ESFUERZOS PRINCIPALES
Figura 5.17 Vista del primer esfuerzo principal de acero inoxidable.
En la figura 5.17 podemos observar que los esfuerzos se presentan principalmente en las
correderas de la estructura y en la parte baja de la estructura ya que soporta la carga
aplicada y el mismo peso de la estructura.
60
Figura 5.18 Segundo esfuerzo principal del soporte 1 de acero inoxidable.
En la figura 5.18 se puede observar que los esfuerzos principales se concentran en la
parte superior e inferior de las correderas de la estructura y en la parte donde se unen la
barra inferior con la placa de la estructura.
Figura5.19 Tercer esfuerzo principal del soporte 1de acero inoxidable.
En esta figura se marca de manera más clara donde se concentran los esfuerzos, la parte de color
roja indica la zona crítica donde se concentran los esfuerzos y se ratifica que estos se presentan
en las correderas y en la placa inferior de la estructura.
61
INTENSIDAD DE ESFUERZOS
Figura5.20 Intensidad de esfuerzos en el soporte 1 de acero inoxidable.
La figura 5.20 nos muestra la intensidad de esfuerzos en la estructura y vemos que el
diseño fue bien diseño ya que la forma circular que tiene las correderas nos ayuda a
tener una distribución de esfuerzos en un are mayor.
Análisis estático del soporte 1 estructura con movimiento sobre el eje “y”
Los análisis de esfuerzos del soporte 2 (figura 5.21) también se desarrollaron mediante
elemento finito con ayuda del software ANSYS donde se aplicaron elementos BEAM
sobre las barras y elementos SHELL a las placas de la estructura. La estructura fue
sometida a una carga máxima de 8kg y fue empotrada en la parte de la barra.
62
Figura 5.21 estructura en 3D del soporte 2 con su respectivo mallado.
Figura 5.22 estructura en 3D del soporte 2 con su carga aplicada.
A la estructura se le aplicó una carga de 8kg y fue empotrado en la parte de las
correderas ya que ira sujetada con tornillos en esa parte como se observa en la figura
5.21.
Deformación máxima
Figura 5.22 vista en isométrico de la deformación máxima del soporte 2.
La deformación máxima de la estructura se presenta en la parte de la barra circular de la
estructura donde se llevará acabo el movimiento lateral se presenta una deformación
uniforme como se observa en la figura 5.22.
63
Esfuerzos principales
Figura 5.23. Primer esfuerzo principal sobre el soporte 2.
El esfuerzo principal y la concentración de esfuerzos se presentan en la parte central de
la barra como se observa en la figura 5.23.
Figura 5.24. Segundo esfuerzo principal sobre el soporte 2.
En la figura 5.24 se observa el segundo esfuerzo principal y estos de manera parecida al
primer esfuerzo principal se presentan en la parte central de la barra
64
Figura 5.25 Tercer esfuerzo principal sobre el soporte 2.
El tercer esfuerzo principal se puede observar en la figura 5,25 donde se puede ver que
los esfuerzos se siguen presentando en la parte central de la barra donde se aplicó la
carga solo que aquí se muestran ya de una manera más uniforme.
Intensidad de esfuerzos
Figura5.26 intensidad de esfuerzos sobre el soporte 2.
La barra fue la parte de la estructura más afectada y por consiguiente es la parte donde
se presenta la intensidad de esfuerzos como se observa en la figura 5.26
65
4.3.5 Resultados obtenidos del análisis de esfuerzos.
En las tablas 7 y 8 se muestran los resultados obtenidos del análisis estático de los dos
diferentes soportes para tres diferentes materiales (aluminio 2014, acero inoxidable 316
y hierro dúctil nodular A536).
Soporte 1
Aluminio 2014 Acero inoxidable
316
Hierro dúctil A536
esfuerzo máximo 1 2.44Kpa 1.26Kpa 2.43Kpa
esfuerzo máximo 2 645.094Pa 303.710 Pa 612686 Pa
esfuerzo máximo 3 0.500e-3 Pa .263e-3 Pa .004573 Pa
Intensidad de
esfuerzo
5.20Kpa 2.91Kpa 5.20Kpa
Deformación
máxima
0.696e-5 .124e-5 .283e-5
Tabla 7. Resultados de los análisis de esfuerzos y deformación de los tres diferentes
materiales analizados para el soporte2.
Soporte 2
Aluminio 2014 Acero inoxidable
316
Hierro dúctil A536
Esfuerzo máximo 1 35.23 27.853 34.824
Esfuerzo máximo 2 9.32 5.553 8.08
Esfuerzo máximo 3 0.85 0.0793 0.164
Intensidad de
esfuerzo
37.26 29.146 35.55
Deformación
máxima
0.629E-5 0.279E-5 0.344E-5
Tabla 8. Resultados de los análisis de esfuerzos y deformación de los tres diferentes
materiales analizados para el soporte 1.
Material Límite de cedencia Resistencia a la
tracción máxima
Aluminio forjado
2014
97MPa 197MPa
Hierro dúctil
nodular A536
276MPa 414MPa
Acero inoxidable
316
308MPa 654MPa
Tabla9. Límite de cedencia y resistencia a la tracción máxima de los materiales
seleccionados
66
CAPITULO 5 CONCLUSIONES
Con los resultados que nos arrojó el análisis por elemento finito
(ANSYS) se comprobó que las dimensiones y el material
seleccionado para los componentes diseñados son adecuados y la
estructura tiene la suficiente resistencia y rigidez para soportar las
cargas a las que estarán sometidas.
En los modos de vibración podemos observar que la resonancia y el
desplazamiento de la estructura es mínima, El desplazamiento
máximo dentro de la mesa soporte para la estación remota se
presenta en las patas traseras y de acuerdo al análisis modal
realizado, las vibraciones tienden a desplazar 4mm como máximo a
la estructura fuera de su punto original de asentamiento, este
desplazamiento es tolerable para que la estructura trabaje
correctamente.
Como pudimos observar en las figuras la deformación máxima para
el sistema de sujeción para el pirómetro óptico se encuentra en la
parte central de la barra circular de la estructura, pero observando el
movimiento se puede apreciar que la deformación y la deflexión son
mínimas que se pueden despreciar, los esfuerzos también son
mínimos por lo que se concluye que la estructura soporta la carga
aplicada sin problemas y que el material que fue seleccionado así
como las dimensiones de la estructura son correctas.
Con este trabajo se facilita la labor que se realizaría para obtener los
cálculos del diseño de forma manual, disminuyendo
considerablemente el tiempo empleado para este análisis y teniendo
un mayor nivel de confiabilidad a la hora de obtener los resultados
del diseño en general.
67
BIBLIOGRAFIA
(1) H. Mecking y A. Grinberg, en "Strength of Metals and Alloys", Proc. Conf. ,
ICSMA5, ed. P. Haasen y col., Pregamon Press, Nueva York, vol. 1, pág. 289. (1979).
(2) José Luis Enríquez bercianos, Enrique Tremz Guerra, “monografías sobre tecnología
del acero parte I, hornos de inducción eléctrica” Universidad politécnica de Madrid.
(3) C.A. Hernández, S.F. Medina, J.E. Mancilla, V. Blázquez: Revista de Metalurgia,
vol. 28, n°6, pp. 369-382. (1992).
(4) A. Cracknell, N.J. Fetch: Acta Metalúrgica, vol. Pag. 186. (1955).
(5) G.E. Keter, "Metalurgia mecanica", Ed. Mc-GrawHill, Tercera Edición. (1986).
(6) E.V. Arnaiz: en "El acero en la industria del automóvil", Ed. UNESID, Valencia,
pág. 127.(1985).
(7) B. Mintz, J.J. Jonas, R. Abu-shosa: Materials Science and Technology, vol. 7, pp.
904-913. (1991).
(8) JACK P. HOLMAN, W. J. GAJDA Jr, "Métodos Experimentales para Ingenieros",
Editorial
(9) IRSID, Saint-Germain-en-Laye , "Application to Simulation and Modeling of Hot
Forming Processes", FRANCIA.
(10) Editor Michael bauccio, ASM METALS REFERENCE BOOK tercera edición.
