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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