diseÑo, evaluaciÓn y construcciÓn de un m ecanismo …

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DISEÑO, EVALUACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN MECANISMO PARA COMPACTACIÓN DE POLVO DE ACERO

ANDRÉS VELÁSQUEZ PINTO

Tesis de grado No: IM -2004-II-50

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO DE PREGRADO

BOGOTA, DICIEMBRE DE 2004

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DISEÑO, EVALUACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN MECANISMO PARA LA COMPACTACIÓN DE POLVO DE ACERO

ANDRÉS VELÁSQUEZ PINTO

PROYECTO DE GRADO

Asesores:

JAIRO A. ESCOBAR GUTIÉRREZ Dr.Ing Profesor asistente

Departamento de Ingeniería Mecánica.

CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ Dr.Ing Profesor asistente

Departamento de Ingeniería Mecánica.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO DE PREGRADO

BOGOTA, DICIEMBRE DE 2004

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A mi fam ilia, a quien tanto debo Gracias

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AGRADECIMIENTOS

Carlos Francisco, mi asesor, por sus innumerables consejos y valiosas

recomendaciones y la oportunidad de haber aprendido tanto en tan poco

tiempo.

Jairo Escobar, mi jurado, por su tiempo, interés y su paciencia en este

proyecto.

Juan Pablo Casas, por sus consejos incondicionales

Fritz Andrés Campo

Daniel Fernando Silva

Luz Amparo Pinto, mi madre, quien tantos esfuerzos hace por mi.

Mi familia, Edgar, y mi hermana Valentina.

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TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción. ..........................................................................................................6 2. Motivación. .............................................................................................................8 3. Metodología. ..............................................................................................................9 4. Objetivos...................................................................................................................10

4.1. Objetivos Generales.......................................................................................10 4.2. Objetivos Espe cíficos. ...................................................................................10

5. Marco conceptual de los polvos. .......................................................................11 5.1. Concepto de com pactación. ........................................................................11 5.2. Etapas del proceso de com pactación.......................................................12 5.3. Comportam iento de los polvos bajo presión:.........................................15 5.4. Presión y Requerimientos de la Matriz. ....................................................16 5.5. Lubricación de los polvos. ...........................................................................18 5.6. Remoción de las piezas. ...............................................................................20

6. Diseño........................................................................................................................22 6.1. Concepto de m atriz flotante.........................................................................22

6.1.1. Requerimientos de la m atriz.................................................................23 6.1.2. Análisis de fuerzas en la com pactación............................................23

6.2. Diseño del troquel de compactación.........................................................25 6.2.1. Requerimientos de los materiales. .....................................................25 6.2.2. Acabados Matriz – Troquel. ..................................................................25 6.2.3. Dimensiones y Troquel completo.......................................................26

6.2.3.1. Sele cción de los pernos. ................................................................27 6.2.3.2. Estudio de la matriz de compactación. ......................................28

6.2.4. Punzón de compactación con holgura. .............................................33 6.2.4.1. Estudio del punzón de compactación. .......................................35

6.3. Sele cción de la prensa. .................................................................................37 6.3.1. Acople Prensa - Troquel. .......................................................................38

6.4. Se cuencia de la com pactación. ..................................................................40 6.5. Sistema Hidráulico: ........................................................................................41

6.5.1. Motor y unidad Hidráulica:....................................................................41 6.5.2. Marco Conceptual de las válvulas direccionales: ..........................42

6.5.2.1. Válvulas cuatro vías, operadas eléctricam ente. ......................42 6.5.2.2. Válvulas de cuatro vías dos posiciones: ...................................43 6.5.2.3. Válvulas cuatro vías, tres posiciones:........................................45 6.5.2.4. Tipos de centro:................................................................................46

6.5.3. Circuito hidráulico:..................................................................................47 6.6. Sistema de Control:........................................................................................49

6.6.1. Conceptos del PLC: ................................................................................49 6.6.2. Control del Sistema y Seguridad: .......................................................50 6.6.3. Entradas y Salidas del Sistem a: ..........................................................52 6.6.4. Sele cción del PLC y los Finales de Carrera:....................................53

7. Conclusiones...........................................................................................................55 8. Bibliografía:..............................................................................................................56 9. Anexos. .....................................................................................................................58

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1. Introducción.

Actualmente en Colombia no hay estudios suficientes sobre el proceso de

manufactura y producción de la metalurgia de polvos, ya que es un campo casi

inexplorado, las industrias a nivel mundial cada vez están demandando más y

mejores piezas para la fabricación de diferentes productos, las geometrías

cada vez son más complejas, razón por la cual es importante tener en cuenta

éste proceso de producción.

Hay que ser consecuente con los pasos a seguir cuando se refiere a la

producción de un producto con cierta manufactura diferente a la conocida por el

mercado, hay que ir paso a paso, primero se debe hacer cierto número de

pruebas de laboratorio para mirar el comportamiento del producto, si las

diferentes propiedades mecánicas, químicas, térmicas, eléctricas, entre otras

son las adecuadas y pueden competir con las manufacturadas tradicionalmente

y luego del estudio del mercado local, entrar fuertemente a competir en él.

A grandes rasgos en el proceso de la metalurgia de polvos se requiere saber

acerca de los materiales que se usan, los dos metales más utilizados para la

producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro,

aunque también se trabaja con algunos cerámicos; dependiendo de sus

características físicas y químicas, se puede usar maquinado, molido, donde se

tritura el material con molinos rotatorios de rodillos; por estampado, rompiendo

los metales, por este método los materiales frágiles pueden reducirse a

partículas irregulares de cualquier finura. Por perdigonado, el cual consiste en

vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo dejándolo caer en agua, en este

proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. La mayoría de

los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es

demasiado grande; por granulación, algunos metales pueden convertirse en

polvo con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando. Otro

procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros

metales es el de depósito electrolítico el cual consiste en la inmersión del metal

a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como

IM-2004-II-50 7 cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los

cátodos depositándose como un polvo fino.

Luego es necesario comprimir el polvo en un molde con la forma deseada, bien

sea por prensado (el cual es el tema de trabajo) o por compactación centrífuga. Ahora, para la producción de piezas es posible usar el proceso de extrusión,

inyección, o la típica forja. Por último la sinterización es el proceso por medio

del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos sólidos

se unen por fuerzas atómicas, previo a dicha compactación.

IM-2004-II-50 8

2. Motivación.

Al encontrar que el proceso de prensado de polvos de acero en Colombia es

un proceso que se desarrolla casi exclusivamente a nivel de laboratorio puesto

que la línea de producción de elementos sinterizados no esta establecida en

nuestro país se decidió que sería un importante paso a seguir el hecho de

generar ésta compactación con un mecanismo de producción en serie.

Teniendo en cuenta que es un primer paso, se pretende diseñar una máquina

de tipo académico, cuyas partes puedan ser utilizadas en el Departamento de

Ingeniería Mecánica de la Universidad para futuros propósitos. El uso de

elementos del diseño de maquinaria para la obtención del propósito y el del los

elementos hidráulicos que proporciona la Universidad así como otros que

pudieran ser adquiridos serían la base de trabajo del proyecto.

Debido a que es un proyecto de tipo académico, deberá ser fácilmente

desmontable para futuros cambios en el diseño o en elementos ya existentes,

además el nivel de producción no será de tipo industrial (no mas de mil piezas

al día), debido a los altos costos que podría acarrear el montaje y construcción

de un sistema de compactación a nivel industrial que no está establecido en el

mercado.

Debido a que el mecanismo trabajará compactando polvos de manera

continua, es necesario tener un sistema que permita controlar el proceso,

debido a que cada uno de los pasos a seguir en el proceso de la compactación

de polvos de acero requiere alta precisión, el proceso de producción en serie

deberá ser controlado por un elemento que permita tener control sobre

múltiples variables que se deseen ser controladas en un futuro, por lo tanto se

usará un PLC (Programmable Logic Controller) como sistema básico de

control. El uso y aplicación de los requerimientos de la seguridad industrial para

una maquina que va a compactar acero es de vital importancia puesto que en

nuestro país son pocas la empresas que se preocupan por la seguridad

industrial y en éste caso la seguridad es parte del control del sistema.

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3. Metodología.

El proyecto a desarrollar inicia con el estudio de las fuerzas que se ejercen en

la prensa que comprime inicialmente los polvos, esto ya que de ello depende el

diseño estructural del mecanismo, así como los materiales para su

construcción, luego se deben observar y estudiar las restricciones de espacio

que siempre se tienen para el desarrollo de un mecanismo acoplado a otro(s),

es importante determinar si son necesarios uno o más mecanismos para lograr

un óptimo desempeño en éste punto de la línea de producción aunque sea a

nivel de laboratorio. Se deberán hacer algunas simulaciones dinámicas del

funcionamiento del mecanismo, una vez esté complementada ésta parte, se

simulara la parte estructural, para determinar la robustez del mecanismo.

Posteriormente, se debe desarrollar el control de la secuencia de la máquina, el

cual debe manejar cada uno de los tiempos del proceso de compactación de

los polvos, así como la alimentación del dado que los recibirá, también los

pasos de la vibración para lograr un buen vaciado ya que los polvos muy finos

(del orden de µm) se adhieren al recipiente contenedor; por último el desmolde

para terminar la secuencia.

IM-2004-II-50 10

4. Objetivos.

4.1. Objetivos Generales.

Desarrollar un mecanismo que realice la producción en serie del prensado de

los polvos en un molde determinado. Esta máquina hace parte de una planta

piloto que se instalará en los Laboratorios de la Universidad.

4.2. Objetivos Específicos.

1. Diseño preliminar del mecanismo o mecanismos de la máquina

2. Diseño específico del mecanismo que alimenta el molde de polvos

3. Análisis dinámico y estructural del mecanismo que alimenta el molde, ya

que este debe “sacudirse” para un vaciado completo.

4. Diseño específico del mecanismo que extrae el material del molde, lo

lleva a otra parte de la línea de producción.

5. Análisis dinámico y estructural de las partes del mecanismo que saca el

material del molde puesto que tiene que resistir ciertas cargas de

compresión.

6. Observar cuales son los requerimientos para el prensado, el desmolde, y

a que punto físico se debe llevar la parte desmoldada

7. Control de los mecanismos.

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5. Marco conceptual de los polvos.

5.1. Concepto de com pactación.

Existe en la actualidad gran diversidad de procesos y técnicas para la

compactación en el proceso de la metalurgia de polvos, como el reprensado o

el acuñado (en las partes ya sinterizadas), el prensado isotáctico, el cual es un

prensado que se hace sobre los polvos en todas las direcciones con el fin de

evitar distribuciones deficientes de densidad en la pieza terminada; el moldeo

de los polvos también puede ser dado por el proceso de inyección utilizando

los aglomerantes apropiados para la formación de pélets, como con los

cerámicos; también está el conformado por laminación donde los polvos se

compactan entre rodillos; por último está el forjado de polvos que no

proporciona grandes detalle geométricos. Existen también diferentes

temperaturas a las cuales se lleva a cabo el proceso, dependiendo de éstas

se puede afirmar que cada uno de los procesos es llevado a acabo en caliente

o en frío

El punto de trabajo es la compactación en frío, la cual consiste en aprisionar y

unir los polvos en un molde determinado al cual se llamará matriz, sin ningún

cambio en la temperatura, la forma definitiva de la pieza será determinada por

la geometría de la matriz.

De acuerdo a la Tabla 1, según el tipo de proceso que se lleve a cabo, las

condiciones de trabajo y la tasa de deformación cambian, así mismo las

facilidades de operación dadas por la temperatura y la maquinaria necesaria:

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Tabla 1: Opciones de Compactación. Ref. [1]. Pg. 129.1

5.2. Etapas del proceso de com pactación.

La manera como se compactan los polvos es la que determina la

homogeneidad del producto, es importante tener en cuenta la distribución de

la densidad del compactado (al que se llamará “verde”) al momento de la

compactación, ya que de ésta dependerán las propiedades mecánicas del

producto como la resistencia; ahora, el éxito del proceso se verá reflejado en

las contracciones y deformaciones naturales que se presentan en el momento

de sinterizar y que por lo tanto modificarán la pieza terminada, si la densidad

del verde es la requerida antes de la sinterización, el producto será el

esperado.

Cuando la presión es distribuida uniformemente debido a la movilidad

molecular, las propiedades del metal compactado frecuentemente pueden ser

tomadas como si fuera un material anisotrópico2 Ref. [2]. Pg. 109

El proceso de compactación en frío consiste en la densificación de los polvos

por medio de una presión externa que se aplica sobre ellos, la homogeneidad

de la densidad del verde es determinada por la forma como se compacten, ya

que es justamente la presión en suma del movimiento relativo entre los polvos

la que genera dicha densificación.

1 . Randall M. German. Powder Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1998 2 GOETZEL, Claus G. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 1. InterScience Publishers, Inc. 1949. USA

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Los pasos a seguir durante la compactación en frío son:

1. Llenado o alimentación de la matriz

2. Preparación para la compactación

3. Compactación

4. Remoción de punzones

5. Retirado de la pieza de la matriz

Ilustración 1. Pasos a seguir durante la compactación. Ref. [1]. Pg. 130.3

Para lograr un buen moldeo, es necesario tener en cuenta que al comprimir los

polvos la fuerza puede ser aplicada uniaxial o biaxialmente, pero esto repercute

directamente con la distribución de la densidad del verde debido a que si la

fuerza es uniaxial, de arriba hacia abajo, la presión que sienten los polvos no es la misma en la parte superior que en la inferior ya que las partículas no

tienden a organizarse homogéneamente debido a que cada partícula no es

igual a las otras y por lo tanto se presentan obstrucciones mecánicas, así que

la parte que recibe directamente la fuerza tendrá una densidad más

aproximada a la del metal original y en cambio la parte inferior diferirá hasta

2.g./cc como se muestra en la siguiente ilustración. Si la fuerza que se aplica

es en las dos direcciones, la distribución de la densidad será más uniforme ya 3 .1. Randall M. German. Powder Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1998

IM-2004-II-50 14 que las partes inferior y superior tendrán la densidad deseada. Ahora bien, el

grosor de la pieza también es un factor determinante ya que se pueden

presentar variaciones en la densidad si la altura de la pieza es

considerablemente alta, razón por las cual se presentan las siguientes

relaciones:

Ilustración 2. Efecto de la altura vs. El diámetro sobre la densidad de compactación en una dirección. Ref. [2]. Pg. 316.4

Ilustración 3. Efecto de la altura vs. El diámetro sobre la densidad de compactación en dos direcciones en una pieza

cilíndrica. Ref. [2]. Pg. 319.5

4 2. GOETZEL, Claus G. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 1. InterScience Publishers, Inc. 1949. USA. 5 2. GOETZEL, Claus G. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 1. InterScience Publishers, Inc. 1949. USA.

IM-2004-II-50 15

Según Wiley & Sons pag. 334, y siendo coherente con las ilustraciones ya

presentadas los radios entre la altura y el ancho de las piezas debe ser lo las

pequeño posible para evitar una variación pronunciada en la curva de variación

de densidad.

Es fácil darse cuenta con estos datos empíricos que si la pieza tiene una altura

de menos de una pulgada, la variación de la densidad será mínima, como en el

caso B de la ilustración 3.

5.3. Com portamiento de los polvos bajo presión:

La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un

reempacado de los polvos en un arreglo más eficiente aumentando los puntos

de contacto, reduciendo el espacio entre las partículas y por ende los poros

que se puedan llegar a presentar, al incrementarse la presión las partículas se

deforman plásticamente causando que el área interarticular aumente y entren

en contacto partículas adicionales.

Ilustración 4. Efecto de la presión aplicada durante la compactación. Ref. [3]. Pg. 404.6

Existen varios factores que hacen que los polvos se compacten bajo presión

como los son las Fuerzas Interatómicas, las cuales están relacionadas con las

fuerzas de adhesión interatómicas, así como lo que tiene que ver con la

Soldadura en Frío la cual se presenta con la licuefacción debido al incremento

de la temperatura por fricción entre las partículas durante la compresión, y las

6 3. Groover, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. Prentice Hall. USA

IM-2004-II-50 16 Tensiones Superficiales de una pieza terminada; la Deformación Plástica y por

ende el trabajo en frío de los polvos debido a la presión que tiene que soportar.

Ilustración 5. Compactación de los polvos por deformación plástica. Ref. [3]. Pg. 402.7

La capacidad de una prensa para la producción de compactados se da

generalmente en toneladas, la fuerza requerida para el prensado depende del

área transversal de la parte multiplicada por la presión necesaria para

compactar los polvos del metal dado:

F = Ap Pc

Con F = fuerza requerida en N, Ap = Área de sección transversal en mm2 y Pc =

presión de compactación MPa, según Groover las presiones típicas fluctúan

entre 70 MPa para polvos de aluminio y 700 MPa para polvos de hierro y acero.

5.4. Presión y Requerimientos de la Matriz.

La presión es uno de los factores que más se deben tener en cuenta cuando

se habla de compactación de polvos de algún metal ya que de ésta depende

la calidad del verde, si bien es cierto que los polvos quedan mejor densificados

con una presión considerablemente alta, la presión no puede ser excesiva

debido a que es factible generar grietas en los bordes de las piezas al

momento de compactar, además la fuerza radial que se presenta al momento 7 3. Groover, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. Prentice Hall. USA

IM-2004-II-50 17 de la compactación es aproximadamente de la misma magnitud, razón por la

cual se debe tener presentes algunos factores para encontrar los límites

inferiores de compactación:

• La estructura de las partículas deben ser favorables para el

acomodamiento y para obtener la mayor cantidad de puntos de

contacto.

• Tener en cuenta la plasticidad de las partículas del metal.

• El tamaño de las partículas, así como su distribución antes de que se

aplique cualquier fuerza.

• Condiciones de las superficies de las partículas que favorezcan la

reorientación por reducción interparticular.

• Selección de un polvo que no obstruya el proceso de densificación en

algunas secciones.

• Selección de materiales adecuados para la matriz y los punzones de

compactación.

• Selección de los lubricantes apropiados para reducir la fricción

interparticular y entre los punzones y la matriz

Ilustración 5a. Efecto de fuerzas radiales que se presentan en la compactación axial. Ref. [2]. Pg. 358.8

8 2. Goetzel, Claus G. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 1. InterScience Publishers, Inc. 1949. USA.

IM-2004-II-50 18

Debido a la fricción entre las partículas, la matriz de compactación debe estar

diseñada para soportar estas cargas circunferenciales para el peor de los

casos que es cuando la carga no es distribuida uniformemente, para un estudio

más detallado, se recomienda ver la Tesis de Grado No: IM-2004-I-09 ; ahora,

para lograr una expulsión sin problemas, los esfuerzos radiales no pueden

exceder el límite elástico del material de la matriz, esto es posible con el uso de

lubricantes los cuales se discuten en el numeral siguiente.

5.5. Lubricación de los polvos.

Para reducir la fricción entre los polvos y la matriz, y por lo tanto los esfuerzos

que ésta soporta es posible adicionar lubricantes o aditivos, los cuales cambien

la densidad y la viscosidad de los polvos, la idea es que al final del proceso,

éstos aditivos desaparezcan bien sea por evaporación en el proceso de

sinterizado o por disolución química para que no cambien las propiedades del

material.

Cuando la remoción es dada por evaporación, es posible encontrar residuos

como cenizas (ash), los cuales se desean mínimos para que no se afecte la

calidad del producto final, ver tabla 2, cabe anotar que el tamaño de los

aditivos debe ser igual que el de los polvos para lograr una homogenización en la mezcla, y no tener inconvenientes por poros que puedan aparecer.

IM-2004-II-50 19

Tabla 2: Características de algunos lubricantes. Ref. [1]. Pg. 132.9

A continuación un ejemplo de la variación de la densidad con el uso de un

lubricante como el estereato de litio y de zinc y el tiempo de mezcla de éste con

los polvos de acero, así como las diferentes presiones que se aplican:

Gráfico 1: Características de algunos lubricantes. Ref. [1]. Pg. 133-135.10

101. Randall M. German. Powder Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1998

IM-2004-II-50 20

5.6. Rem oción de las piezas.

Una vez los polvos han sido compactados apropiadamente se procede a su

remoción de la cavidad de la matriz, para ello es necesaria una fuerza que

debe vencer la fricción entre la pieza y la matriz que se debe a las fuerzas

radiales que aparecen debido al reordenamiento de las partículas y la

deformación de los polvos, haciendo que el tamaño real de la pieza sea mayor

que el de la cavidad. Para no tener ningún tipo de problema con la expulsión,

se recomienda que la geometría no sea muy complicada o de secciones que

puedan romperse fácilmente por dicha fuerza.

Gráfico 2: Presión de expulsión para diferentes concentraciones de lubricante y presiones de compactación

Ref. [1]. Pg. 136.11

Es fácil darse cuenta que debido a la diferencia en los tamaños se pueden

presentar grietas al momento de la expulsión por la zona donde se presente el

plano de deslizamiento mas débil (ver ilustración 6), Así que se debe jugar un

poco con las variables de diseño para no tener ningún tipo de problema con las

grietas, y en general con la expulsión.

11 1. Randall M. German. Powder Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1998

IM-2004-II-50 21

Ilustración 6. Grietas que se pueden presentar al momento de la remoción. Ref. [2]. Pg. 138.12

12 1. Randall M. German. Powder Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1998

IM-2004-II-50 22

6. Diseño

6.1. Concepto de matriz flotante.

El concepto de matriz flotante es realmente simple, la matriz está dentro un

troquel que está suspendido por resortes, idea es que tan pronto como la

presión es aplicada en una dirección, comienza la aglomeración de las

partículas de polvo en un compactado coherente, parte de la presión es

distribuida a las paredes de la cavidad de la matriz haciendo que las fuerzas de

fricción sean lo suficientemente grandes para vencer la tensión del resorte y lo

haga mover haciendo que el dado se dirija a lo largo de la línea de acción del

resorte hacia el punzón inferior el cual por reacción genera una fuerza igual y

opuesta. De ésta manera se logra un balance entre las fuerzas de fricción y la

compresión entre cada uno de los punzones, por lo tanto la densificación se

produce equitativamente.

Ilustración 7. Matriz de compactación flotante. Ref. [2]. Pg. 372.13

13 2. Goetzel, Claus G. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 1. InterScience Publishers, Inc. 1949. USA.

IM-2004-II-50 23

6.1.1. Requerim ientos de la matriz.

Los siguientes son los requerimientos principales a tener en cuenta para llegar

a cabo la elaboración de la matriz de compactación:

• La cavidad que va a recibir los polvos debe ser totalmente negativa, es

decir, que al momento del desmolde no se presente ningún tipo de

obstrucción entre la pieza terminada y la geometría del molde.

• La geometría de la matriz debe facilitar la distribución de la presión y

debe hacerlo uniformemente.

• La matriz debe estar construida de forma tal, que al momento de la

compactación su robustez sea suficiente para mantener su geometría

inicial.

• El material de la matriz debe satisfacer las fuerzas de fricción tanto de la compactación como de la expulsión.

• El material de la matriz debe soportar la abrasión y el uso cíclico.

6.1.2. Análisis de fuerzas en la com pactación.

Las fuerzas que están involucradas en el proceso de compactación están

concentradas en tres elementos principales, que son el troquel, la matriz y los

punzones, debido a que el recorrido es tan corto, por la densidad de los polvos

de acero, se puede afirmar que el movimiento es cuasiestático.

IM-2004-II-50 24

Ilustración 8. Fuerzas que actúan el troquel de compactación.

De ésta manera, la sumatoria de fuerzas es:

Punzón superior: 0111 =−+=∑ FFAPF fY

Punzón inferior: 0222 =−+=∑ FFAPF fY

Matriz: 012 =−−=∑ resorteY FffF

Conjunto: 012 =−−=∑ resorteY FFFF

Sabemos que P1 = P2 , y que la última ecuación es una ecuación dependiente

de las otras, por lo tanto es un sistema simple de tres por tres.

La función del resorte es darle al punzón inferior un papel importante en el

proceso de compactación ya que no solo actúan las fuerzas de reacción sino

que él hace fuerza también, con la misma magnitud del superior, (de ahí

también se encuentra P1=P2 ) también hace que el movimiento efectivamente

sea cuasiestático ya que hace que el recorrido sea menor y que por ésta razón

la aceleración del conjunto sea despreciable. Cabe anotar que el resorte en su

estado de reposo, no debe tener mayores requerimientos más que el de resistir el peso del troquel.

IM-2004-II-50 25

6.2. Diseño del troquel de compactación.

Para el diseño del troquel de compactación es necesario tener en cuenta

algunos parámetros de diseño importantes, como lo son la clasificación de los

materiales de los que van a constar las partes, así como sus propiedades

físicas y mecánicas, ya que éstas van a depender de las fuerzas que tenga que

soportar; el tipo de cavidad y geometría que debe tener la matriz y la forma de

construcción.

6.2.1. Requerim ientos de los m ateriales.

Según los manuales ASM existen varios requerimientos que se deben cumplir

al escoger el material que va a soportar la carga.

Para la matriz de compactación y los punzones superior e inferior, con una

producción en serie de menos de 1000 piezas (que es el caso de estudio) se

recomienda el uso de acero para herramienta AISI D-2 ó D-3 templados con

aire o con aceite, también se pueden usar aceros de herramienta de alto

carbono y cromo, la idea es que tengan una dureza entre 58-64 HRC.

Sin embargo se recomienda el manual ASM para encontrar materiales con

niveles de producción mayores.

6.2.2. Acabados Matriz – Troquel.

Según la referencia 5, debido a que se debe evitar al máximo la intromisión de

polvo entre las partes, se recomienda 0.003 in por cada pulgada, con un juego

mínimo entre la cavidad de la matriz y los punzones; con una rugosidad de

4µin y con un pulido en el sentido de la compactación.”ref.5. pag 10814

1 4 5. Campo, Fritz Andrés. Tesis de Grado No: IM-2004-I-09. Universidad de los Andes. 2004.

IM-2004-II-50 26

6.2.3. Dimensiones y Troquel completo.

Finalmente el troquel está compuesto por las siguientes partes:

• Matriz de compactación

• Las bases para la matriz de compactación.

• Tuercas 3/4"L3 16UNC SAE 8.

• Guías para los resortes.

• Pernos 3/4"L3 16UNC SAE 8.

• Punzones superior e inferior.

Ilustración 9. Isométrico y vista de corte ortogonal del troquel de compactación.

IM-2004-II-50 27

Ilustración 10. Vista de Explosión del troquel de compactación.

6.2.3.1. Selección de los pernos.

Se escogieron estos tamaños de tuercas y pernos ya que la fuerza axial que

deben soportar es de 40T como máximo, así que es necesario tener una

buena robustez del sistema, el fundamento se presenta a continuación:

KNpernos

P 1.984

81.9*40000==

Para un perno 3/4"l3 16UNC SAE 8: y suponiendo una alta precarga de 1000lb

(9.8N):

MPapsiAF

t

ii 203000

334.01000

=≅==σ , los datos de At (Área de resiste la tensión)

se encuentran en la tabla 8.2 de la ref. 6.

Con un valor común de la constante de la unión C=0.32 se tiene:

IM-2004-II-50 28

MPaMPaA

CP

tib 166

10*15.298100*32.020 4 =+=+= −σσ , resultado que es menor que la

fluencia del acero estructural A36 250 MPa, por lo tanto son una selección

adecuada para soportar las cargas propuestas.

6.2.3.2. Estudio de la matriz de com pactación.

Para el estudio de la matriz de compactación es necesario tener en cuenta lo

que tiene que ver con su geometría y con su comportamiento al momento de la

compactación, ya que de éstos depende la calidad del verde.

Para ello se hicieron un serie de simulaciones, respecto a las cargas máximas

que puede soportar, el efecto en las deformaciones que se pueden presentar y

los concentradores de esfuerzos que pueden aparecer.

A continuación de presentan los resultados obtenidos con el uso del softw are

de simulación ANSIS WORKBENCH, en ilustraciones, utilizando las

propiedades del acero 4340, templado y revenido a 425 grados Celsius, ya que

en los procesos de manufactura que hay en Colombia difícilmente se obtienen piezas maquinadas con materiales como el acero para herramienta, y la idea

es que la simulación proporcione datos lo más reales posibles:

Con un modulo de Young = 2.05e+011

Un modulo de Poisson = 0.3.

Una densidad = 7.750g/cc.

Una fluencia = 1.63e+009.Pa Un esfuerzo ultimo = 1.47e+009.Pa Una presión de compactación = 600 MPa (valor com ún de compactación)

IM-2004-II-50 29

Ilustración 11. Deformación total en el eje X de la cavidad que recibe los polvos.

Ahora, la anterior simulación tuvo como fin saber cual es el efecto de la

compactación en la cavidad que recibe los polvos y la deformación que se

presentó en la dirección X, que es la dirección de la fuerza radial de los polvos

(ver ilustración 11) en la cavidad en el momento de la compactación fue de

0.00017 mm, resultado que es satisfactorio para los requerimientos de ajuste y

acabados requeridos.

IM-2004-II-50 30

Ilustración 12. Deformación total en el eje X de la aletas de la matriz de compactación


compactación en los cambios de diámetro y la deformación que se presentó en

la dirección X (ver ilustración 12 y video 2) de las aletas (cambios de diámetro)

en el momento de la compactación fue de 0.049mm, en la base y de 0.000 en

los extremos. Resultado que es satisfactorio para los requerimientos de ajuste

y acabados requeridos.

Seguido, se presentan las deformaciones de Von Misses ya que son éstas las

que nos muestran el comportamiento total:

IM-2004-II-50 31

.

Ilustración 13, 14. Deformación total de Von Misses


compactación en los cambios de diámetro y en la cavidad de compactación,

IM-2004-II-50 32 así como la deformación de Von Misses que se (ver ilustración 13-14) presenta

en la matriz en el momento de la compactación la cual fue de 0.000561

mm/mm, resultado que es satisfactorio para los requerimientos de ajuste y

acabados requeridos. Por otro lado, los esfuerzos también son fundamentales a la hora de simular,

por lo tanto a continuación se presentan los resultados:

Ilustración 15, 16. Esfuerzos de Von Misses en las alas de la matriz de compactación

IM-2004-II-50 33

El anterior fue el esfuerzo de Von Misses (que es el que más información proporciona debido a que es una combinación vectorial de los esfuerzos

principales) sentido por las alas de la matriz, al momento de la compactación, y

teniendo en cuenta una fuerza de 40Ton para mirar el comportamiento de los

concentradores; vemos que el valor máximo es de 115.01 MPa lo cual es

bastante deseable ya que el esfuerzo de fluencia el 4340 con las condiciones

ya descritas es de 1630 MPa razón por la cual los esfuerzos principales no

serán un tema crítico debido a la geometría de la pieza. Vemos que se presenta un factor de seguridad estático total bastante confiable

de: 17.1401.115

1630==n y un factor se seguridad dinámico de 35.6

01.1155.0*1470

==n

para los concentradores de esfuerzo dados por los cambios de diámetro.

Con el estudio anterior, se puede tener la geometría anterior como base de

cualquier pieza que se quiera fabricar, si se desean futuros cambios en la

geometría del verde tan solo hay que modificar la forma del orificio de la matriz y los punzones correspondientes a la nueva geometría. Existe solo una

restricción para las futuras geometrías (ver capitulo de selección de la prensa),

y es que su área transversal deben ser de 6.54cm2 para poder mantener la

calidad del producto, o en su defecto menores.

En el anexo 1 se muestra un gráfico de los ciclos de vida versus los esfuerzos

alternantes en MPa los cuales dan una idea de cuan larga puede ser la vida de

la matriz

6.2.4. Punzón de compactación con holgura.

Los punzones tienen una pequeña ranura de 3/8 in con una holgura de 1/8in,

para recibir un pasador de lado a lado que cumple la función de mantener el

punzón dentro del émbolo de la prensa que hará la compactación y evitar giros

innecesarios sobre su eje. La holgura tiene la función de asegurar el contacto

entre el flanche del émbolo de la prensa y la base de los punzones, para que el

IM-2004-II-50 34 pasador de 3/8 in no reciba toda la carga y se vaya a presentar una falla por

esfuerzo cortante, debido a que su diámetro es tan pequeño, la falla sería

inminente:

ItVQ

=τ ,

φ=t

1234*

2

32 φπ

π==

rrQ

Así:

.1470.7342

0254.0*83*

64

0254.0*83*

12

0254.0*83

*81.9*000.404

3

MPaMPa ≥=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=π

τ

Resultado que corrobora el hecho de que el pasador no debe soportar la

carga, ya que fallaría, por eso el contacto entre los flanches debe estar

asegurado.

Ilustración 17. punzón superior con holgura de 1/8in (3mm), que asegura el contacto entre los frentes del embolo y el

interior del punzón.

IM-2004-II-50 35

6.2.4.1. Estudio del punzón de com pactación.

Debido a que los punzones están conformados por el mismo material de la

matriz de compactación, en el momento de la simulación, las condiciones del

material y del medio no varían (acero 4340 templado y revenido a 450 grados

Celcius ):

Con un modulo de Young = 2.05e+011

Un modulo de Poisson = 0.3. Una densidad = 7.750g/cc.

Una fluencia = 1.63e+009.Pa Un esfuerzo ultimo = 1.47e+009.Pa

Una presión de compactación = 600 MPa (valor com ún)

IM-2004-II-50 36

Ilustración 18, 19. Deformaciones de Von Misses en el conjunto embolo – punzón.

Como vemos, el resultado de la simulación de la deformación de Von Misses

fue satisfactorio ya que la deformación máxima que se presenta es de

1.079mm/mm, en la dirección del eje Z, de la ilustración 18, así que por lo tanto las piezas tendrán una tolerancia geométrica de +-1mm que es una mediada

estándar de las tolerancias geométricas de AISI.

IM-2004-II-50 37

Ilustración 20, 21. Esfuerzos de Von Misses en el conjunto embolo – punzón.

Para saber si el punzón va a sufrir una deformación permanente, tan solo hay

que mirar el máximo esfuerzo que va a sentir el punzón en la punta (zona de

compactación) que es de 647.3MPa, resultado que está por debajo de la

fluencia del acero en uso, 1630MPa, así que el factor de seguridad estático

para el punzón es de 51.23.647

1630==n , y el dinámico es de 13.1

3.6475.0*1630

==n ,

asegurando de ésta manera que el punzón no falle por fatiga.

6.3. Selección de la prensa.

Para compactar los polvos de acero, y producir verdes, es necesario un nivel

de compactación suficientemente alto, razón por la cual el punto de partida

para el diseño será de 600 MPa, que como ya se ha dicho es una presión de

compactación común, y la necesidad de producir piezas de área transversal

relativamente grandes:

Con el principio de AFP = , y con la idea de un área transversal de producto de

mas o menos 6cm2 se tiene:

PFA = , suponiendo que la prensa va a ejercer una fuerza de 40Ton, como se

ha dicho anteriormente, tenemos que:

inmmPF 13.185.28

10*600*81.9*40000*4*100046 ====

ππφ

Por lo tanto 40 TON es la fuerza requerida, para lograr productos con un área

de 6.54 cm2.

IM-2004-II-50 38

Una vez la fuerza requerida es encontrada se procede a encontrar la prensa de

doble embolo que realice las operaciones deseadas para la compactación.

Ilustración 22. Prensa hidráulica de 40Ton.

Las dimensiones se pueden ver en los planos anexos

Es importante que el troquel de compactación y la prensa estén unidos de

manera tal, que sea fácil el acople de un sistema de alimentación, que permita

la producción en serie.

6.3.1. Acople Prensa - Troquel.

Se diseño una adaptación del troquel de compactación y la prensa con el fin de

facilitar la alimentación de los polvos de acero, la intención es poder llenar la

cavidad de la matriz de compactación con un movimiento lineal de un pistón de

alimentación que está dentro del circuito hidráulico de compactación.

El acople está finalmente compuesto:

• Plataforma base de acero estructural de 1in

• Plataforma de apoyo para la matriz de compactación.

• Troquel de compactación

• Prensa de 40 Ton

• Pernos: 1"- L8 - 8 UNC, con su respectivas tuercas,1" - L8 UNC.

• Embolo y pistón alimentador.

IM-2004-II-50 39

• Cubo de alimentación.

Se aprecia en la lustración 23:

Ilustración 23. Sistema de acople Prensa – Troquel.

Las dimensiones de cada una de las piezas se ven en los planos anexos.

Con esto se pretende que el pistón de alimentación se mueva libremente

sobre la superficie de la plataforma de apoyo para la matriz de

compactación.

IM-2004-II-50 40

6.4. Secuencia de la compactación.

Los pasos a seguir en el proceso de compactación son:

1. Alimentación del polvo de acero:

2. Compactación de los punzones:

3. Expulsión de la pieza

IM-2004-II-50 41

4. Retirado del verde: proceso que ocurre en el momento de la

alimentación.

6.5. Sistema Hidráulico:

El anterior procedimiento es posible solo con un sistema hidráulico que genere

cada uno de los desplazamientos de los pistones de compactación, para dicho

fin es necesario hacer una adecuada selección de las válvulas a utilizar, y de la

bomba hidráulica así como los tiempos de acción de cada una de ellas. Debido

a que éstas válvulas van a ser controladas por medio de un PLC, se obliga a el

uso de válvulas con solenoide.

6.5.1. Motor y unidad Hidráulica:

La unidad hidráulica para compactar el polvo de acero consiste en un tanque

de aproximadamente 12 galones de capacidad con su respectiva bomba de

1.4gpm a 1800 rpm y su motor eléctrico, la cual genera una presión de trabajo

máxima de 3000 psi, la velocidad de compactación no es objeto de estudio

debido a que la producción no va a ser de tipo industrial, sin embargo puede

ser fácilmente hallada ya que en un circuito hidráulico regenerativo, el volumen

en cualquiera de los dos lados de un cilindro actuador es el mismo, solo que

difiere por el volumen del vástago; dicha unidad hidráulica se encuentra en el

laboratorio de hidráulica de las instalaciones del CITEC.

Cada conexión esta dada por sus respectivas mangueras hidráulicas, las

cuales tienen 3/8 y terminales grafadas para asegurar que no se presenten

escapes del hidráulico.

IM-2004-II-50 42

6.5.2. Marco Conceptual de las válvulas direccionales:

En la ref [7]. pag. 1615, se expone claramente que las necesidades crecientes

que se presentan en el campo de la automatización industrial en cuanto a la

fabricación de maquinarias, dispositivos y diversos elementos accionados

hidráulicamente, y la extrema sencillez con que se pueden diseñar circuitos

eléctricos que funcionan automáticamente comandados desde sencillos micro-

contactos, fin de carreras, micro-contactos temporizadores, hasta los modernos

programadores lógicos programables (PLCs) han hecho pensar a los

Ingenieros Proyectistas hace algunas décadas atrás lo útil que resultaría

comandar circuitos hidráulicos vía automatizaciones eléctricas .

Ello determinó la creación de la válvula de control direccional accionada por

solenoides y/o electroimanes, y, actualmente, este tipo de válvulas es el

elemento indispensable para comandar cualquier máquina hidráulica,

automática o no, por medio de cualquier tipo de accionamiento eléctrico y/o

electrónico .

Las válvulas que se presentan a continuación, son las más populares en el

campo de válvula de control direccional de flujo hidráulico accionadas

eléctricamente.

Existen dos tipos principales de válvulas direccionales de cuatro vías que son

las que se usarán en el circuito hidráulico, las cuales son de dos y de tres

posiciones.

6.5.2.1. Válvulas cuatro vías, operadas eléctricamente.

La válvula directamente accionada por solenoide , que es aquella en la cual el

elemento motriz para accionar la corredera deslizante es únicamente un

electroimán o un solenoide.

15 7. http://www.monografias.com/trabajos13/valhid/valhid.shtml.

IM-2004-II-50 43

La acción del solenoide, cuando se encuentra energizado, se traduce en un

empuje de la corredera, que vuelve a su posición inicial debido a la fuerza de

un resorte antagonista en el momento que la energía es interrumpida en el

solenoide.

Las válvulas accionadas por solenoide no están hechas para grades

dimensiones, máximo ¼ “debido a las medidas físicas que devienen muy

grandes en los solenoides cuando la válvula tiene dimensiones mayores, así

como la corriente que se demanda para el movimiento, y por lo tanto el

calentamiento es inminente, así que las empresas manufacturan válvulas de

pequeñas dimensiones

6.5.2.2. Válvulas de cuatro vías dos posiciones:

Cuando se trata de gobernar cilindros hidráulicos de doble efecto, o motores

hidráulicos que requieren control direccional de flujo en ambos sentidos de

circulación, debe aplicarse una válvula de cuatro vías. En esta unidad existen

cuatro bocas de conexión , la primera conectada a la entrada de presión , la

segunda conectada al tanque y las dos restantes conectadas respectivamente

a ambas caras del cilindro de doble efecto que deben gobernar.

En la válvula de cuatro vías, dos posiciones, como su nombre lo indica, la

corredera o husillo estará únicamente situada en cualquiera de ambas

posiciones extremas, vale decir, a un lado o al otro .

Cuando la válvula no este actuada, la presión P se comunica con la cara 1 del

cilindro mientras que la cara 2 se encuentran conectada a la descarga del

tanque T. Al invertir la posición del husillo, tal como observamos en la

ilustración 24, también se invierten las conexiones y ahora la presión P está

conectada a la cara 2 del cilindro mientras que la 1 se conecta a la descarga T.

IM-2004-II-50 44

Ilustración 24. corte esquemático de una válvula de cuatro v ías, dos posiciones Ref. [7]. Pg. 2. 16

Para el dibujo de los circuitos hidráulico, y permitir su fácil lectura, se ha

adoptado un sistema de símbolos de acuerdo a lo indicado por el USA

Standard Institute.

En la ilustración 24 se ve claramente como se genera la simbología para

representar a una válvula de cuatro vías, dos posiciones. En la parte A se

muestra el corte esquemático de la válvula con su corredera en sus posiciones

a la derecha y a la izquierda respectivamente. En la parte B la figura muestra

mediante la representación simbólica la conexión que se opera en el interior del

cuerpo de la válvula, al cambiar la corredera de posición dibujando dos

cuadros que al agregarse como se muestra en la parte C del mismo dibujo, nos

representan a la válvula con sus dos conexiones posibles. Para completar el

símbolo, otros pequeños rectángulos se dibujan en cada costado con el fin de

indicar el tipo de comando empleado para gobernar la válvula.

16 7. http://www.monografias.com/trabajos13/valhid/valhid.shtml

IM-2004-II-50 45

6.5.2.3. Válvulas cuatro vías, tres posiciones:

Este es el tipo más popular y más conocido de válvulas de cuatro vías. Aquí, la

corredera, aparte de tener dos posiciones extremas, también puede

permanecer detenida en el centro mismo del cuerpo de la válvula, mediante un

sistema de centrado por resorte o retención de bolilla u otro medio de

retención mecánica, el mas común es el centrado por resortes.

Ilustración 25. Símbolo gráf ico completo de una válvula de cuatro v ías tres posiciones, accionada a doble solenoide y centrada por medio de resortes Ref. [7]. Pg. 3. 17

Cuando la válvula no está actuando, la corredera se mantiene en su posición

central, en el momento que la válvula recibe alguna orden la corredera se

desplaza en un sentido o en otro según se el caso de la orden.

Es necesario destacar que el sistema de conexión de las puertas de la válvula

de cuatro vías en, el cuerpo de la misma es siempre el mismo cualquiera sea el

fabricante que la manufactura. las puertas vienen marcadas siempre con las

letras P (Bomba), T(Tanque), A y B. El símbolo gráfico de esta válvula es

esencialmente igual al símbolo de una válvula de cuatro vías, dos posiciones 17 7. http://www.monografias.com/trabajos13/valhid/valhid.shtml

IM-2004-II-50 46 con la diferencia que se ha agregado un tercer cuadrado entre los otros dos, y

por tal razón al encontrarse en una posición central simboliza la posición

central de la corredera, que es también conocida como la tercera posición.

Además, el símbolo gráfico se completa adicionando en ambos extremos los

rectángulos correspondientes para señalar que tipo de actuación se emplea

para gobernar la válvula, en el caso de la ilustración 25 es por medio de

solenoides.

Es importante anotar que los actuadotes Solenoides deben su nombre por

estar accionados con corriente continua, cuando están accionados por

corriente alterna, se llaman Electroimanes.

6.5.2.4. Tipos de centro:

En la ilustración 25 vemos que en la tercera posición, la de centro, no hay

ningún tipo de conexión así que todas se bloquean por completo, a ésta tipo

de centro se le llama Centro Cerrado.

La ilustración 26 muestra todo lo contrario ya que en la posición de centro

todas las líneas se encuentran conectadas permitiendo así el descargue de A y

de B y además la descarga de la bomba, ésta tipo de válvula es conocida como

e Centro Abierto.

Ilustración 26. Símbolo gráfico de una válvula de cuatro vías tres posiciones, accionada a doble solenoide y centrada por medio de resortes con centro abierto Ref. [8]. Pg. 10. 18

La ilustración 27 muestra otro tipo de centro ya que en la posición de centro,

las líneas A, B y T se encuentran conectadas permitiendo así el descargue al

tanque, éste tipo de válvula es conocida como de Centro Flotante.

18-19 8. ARON. TECHNICAL CATALOGUE ARON 2003. Vol 1. 2003 Italy.

IM-2004-II-50 47

Ilustración 27. Símbolo gráfico de una válvula de cuatro vías tres posiciones, accionada a doble solenoide y centrada por medio de resortes con centro abierto Ref. [8]. Pg. 10. 19

Esto es debido a que cuando la válvula no se encuentra actuada en su posición

central, ambas caras del pistón, están descargadas al tanque y, el pistón se

puede desplazar manualmente o accionando los órganos de movimiento de tal

cilindro accionando la máquina donde el está, este principio es importante

desde el punto de vista de la seguridad industrial.

6.5.3. Circuito hidráulico:

Finalmente teniendo en cuenta la secuencia del proceso de compactación, se

diseño un circuito hidráulico con los siguientes elementos:

• Dos válvulas de cuatro vías, tres posiciones, de doble solenoide y 3/8”

con centro cerrado, para los pistones alimentador y expulsor

• Una válvula de cuatro vías, tres posiciones, de doble solenoide y 3/8”

con centro flotante, para el pistón de compactación.

• Una válvula de venteo, de cuatro vías dos posiciones un solenoide, 3/8”

de centro abierto, con el fin de conectar la bomba con el tanque en el

momento que alguno de los pistones no esté actuando.

• Una válvula de alivio, proporcionada por la unidad hidráulica.

• Tanque de 12 galones

• Bomba de 1.4 gpm.

• Manómetro de unidad hidráulica.

IM-2004-II-50 48

Ilustración 28. Circuito hidráulico

La ilustración 28 muestra el circuito hidráulico para el sistema de compactación,

presenta dos válvulas de centro cerrado que permiten la acción de los pistones

de alimentación y expulsión en cualquiera de las posiciones de acción, éstos

pistones no representan peligro alguno para el usuario que vaya a operar, así

que el centro cerrado en una buena opción; por otro lado, el pistón que podría

presentar algún riesgo industrial sería el de compactación, razón que obliga a

usar una válvula con centro flotante ya que como se mencionó anteriormente

cuando está en la tercera posición es posible moverla manualmente ya que

conecta las dos líneas con el tanque, de ésta forma si un accidente se

presentase el propio usuario podría mover el pistón que compacta.

IM-2004-II-50 49

6.6. Sistema de Control:

Todo el circuito hidráulico debe estar controlado, debido a que cada uno de los

tiempos de acción de los pistones debe ocurrir según la secuencia antes

presentada para no tener ningún tipo de problemas a la hora de la

compactación.

Como se mencionó anteriormente la base del control del proceso está dado

por un controlador lógico programable, PLC el cual recibirá las ordenes de un

operario dando paso al trabajo automático.

6.6.1. Conceptos del PLC:

El concepto general del PLC es el ser programado por medio de un softw are

cuyo propósito general es el de hacer un equivalente con un panel común de

relé, con la diferencia que pueden ser reprogramados para cumplir otras

funciones en cualquier momento sin cambiar ninguna unidad en el panel de

control, además la vida útil de un PLC es significativamente mayor a la de un

relé convencional.

Es importante destacar que un PLC no es considerado como un

microcomputador ya que éstos están diseñados para ambientes de oficina que

evitan en todo momento cambios bruscos en el voltaje, además ellos no

pueden interactuar con cientos de líneas de entrada y salida; si se llegase a

presentar un daño es necesario cambiar componentes, cosa que no ocurre con

los PLCs puesto que ellos sí presentan diseños para medios de trabajo

industrial. Los PLCs tienen la ventaja de ser programados para hacer

operaciones bastante simples con un lenguaje de programación básico, bien

sea con expresiones booleanas o con bloques funcionales.

Según Pessen un sistema de control típico que usa PLC está constituido por:

Una Unidad programadora: Determina si una señal de entrada o de salida está

bien localizada en el PLC o en el programa de control o en el equipo para que

IM-2004-II-50 50 no sea rechazada, así mismo muestra los errores en el lenguaje de

programación.

Una Unidad Central de Proceso y Memoria: La capacidad d la memoria es

usualmente determinada en términos de bytes, la mejor manera de saber

cuanta memoria es necesitada es escribiendo el programa de operación, sin

embargo es recomendado tener 50% más de memoria para futuras

expansiones.

Módulos de entrada y de salida: Éstos son la interfase entre en PLC y el

sistema controlado y se clasifican en módulos binarios de bit simple, de multibit

y análogos como termocuplas.

El módulo de entrada está diseñado para recibir señales ac y convertirlas en dc

como puente rectificador, también filtra cualquier ruido que se presente en las

señales de entrada, cuando reconoces una señal, la clasifica y la aisla para

prevenir cualquier problema por cambios de voltaje; por otro lado el modulo de

salida simplemente toma la señal transmitida a un circuito logico el cual

transforma la señal en números binarios al PLC.

Existen tres clasificaciones generales para los controladores lógicos

programables, micro, Pequeños y Grandes, los primeros son más pequeños

que los relés convencionales, tienen timer y capacidades de conteo; los

segundos Pueden tener capacidades aritméticas por lo que también son

llamados “integer math”; por último los grandes tienes cualidades cercanas a

las de los microcomputadores, poseen manejo de puntos flotantes y pueden

recibir entradas análogas y digitales.

6.6.2. Control del Sistema y Seguridad:

Teniendo en cuenta los principios de PLC y los paneles de relé comunes el

control del sistema tiene los siguientes elementos principales:

• Panel de control.

• Cofre.

IM-2004-II-50 51

• 10 Pulsadores.

• Borneras, cables, conectores, numeración, etc.

• 3 selectores.

• 7 finales de carrera.

• PLC.

Ilustración 29. Panel de control con sus respectivos pulsadores selectores.

Los tres selectores que se ven en la ilustración 29 tienen funciones de se

seguridad industrial claramente establecidas, el primero que es el selector

ON/OFF que está al costado es el encargado de energizar el sistema, es decir

que nada funciona si este selector no es accionado; el selector de llave que se

encuentra en la parte superior es el que hace que el sistema pueda iniciar, así

el único operario que puede manejarla es aquel que esté autorizado a tener la

llave de manejo; por último está el selector que hace que la operación se

realice en modo manual o en automático, según sea el caso. De éste modo se

proporciona seguridad para aquel operario que no sepa usar el sistema de

control y que pueda incurrir en algún tipo de lesión.

Los pulsadores que se presentan con numeración controlan el movimiento de

la corredera de cada una de las válvulas que mueven los pistones de doble

acción haciendo que avancen o se devuelvan según sea el caso deseado por

el operador, éstos solo funcionan en modo manual una vez el selector de

manual / automático está en dicho modo, si el selector indica modo automático

IM-2004-II-50 52 todos los pulsadores no pueden emitir ninguna señal al PLC. El pulsador con el

nombre de Start es el que inicia la operación del modo automático, y

básicamente lo que hace es dar inicio al programa previamente incorporado al

PLC.

En cualquiera que sea el caso existe un pulsador de dimensiones mayores,

Stop, el cual detiene toda operación en un caso de emergencia, debido a que

el pistón que podría representar algún peligro es el pistón de compactación,

éste puede ser movido de manera manual ya que la válvula que lo controla

tiene centro flotante, sin embargo es posible indicar al PLC que retracte cada

uno de los pistones si llegase a oprimirse dicho pulsador.

Por último, tenemos los pulsadores de ON / OFF de la bomba, todo el sistema

sólo funciona si la bomba está encendida, esto asegura que por más que todo

funcione correctamente es un deseo completamente humano el que decide si

el proceso de compactación da inicio o no, ya que se decidió que éste pulsador

no tiene relación alguna con al PLC.

6.6.3. Entradas y Salidas del Sistem a:

Como se dijo anteriormente el PLC debe ser alimentado por entradas del

sistema bien sean digitales o análogas para que así se tenga una respuesta

del sistema. Este caso no presenta ningún tipo de entrada de tipo análoga,

todas las entradas y salidas son de tipo digital binario 0,1.

Las entradas del sistema son:

• 6 por los finales de carrera, dos para cada pistón.

• 1 por el final de carrera de seguridad, para libre instalación de una

puerta o de una malla para futuros propósitos.

• 6 para los pulsadores del modo manual.

• 1 para el pulsador de Parada de Emergencia.

• 2 para el selector de Manual – Automático.

IM-2004-II-50 53

Para un total 16 entradas al PLC. Las únicas salidas que existen son las de

movimiento de cada uno de los pistones por lo tanto son 2 señales para cada

pistón, una de avance y otra de retroceso, para un total de 6 salidas.

6.6.4. Selección del PLC y los Finales de Carrera:

Debido a que las operaciones a las cuales el PLC debe realizar no son de

mayor complejidad, no es necesario un PLC de alta capacidad de memoria,

hoy en día los PLCs más sencillos tienen una alta capacidad de memoria

suficiente para nuestro propósito.

Por ésta razón se escogió el controlador lógico programable Siemens CPU

224, 24VDC, entradas y salidas a 24V, 14 DI/10DO. Se escogió no solo por

que es el más económico sino que Siemens representa un proveedor de

confianza para la Universidad.

Ilustración 30. PLC S7 -200 CPU 224, 24VDC, entradas y salidas a 24V, 14 DI/10DO20

Este s7-200 tiene capacidad para 14 entradas digitales, entradas insuficientes

para los propósitos del sistema, razón por la cual obliga a el uso de una

expansión de entrada digital.

El módulo escogido fue el menos entradas puesto que solo hacen falta dos

entradas mas, la referencia también es de Siemens: Modulo de entrada digital 20 Lista Precios Feb 1 2003 SIEMENS

IM-2004-II-50 54 EM221 de separación galvánica 8DI, 24 VDC, de éste modo se tienen seis

entradas más extra para futuros propósitos.

Por ultimo los finales de carrera fueron seleccionados teniendo en cuenta el

medio en el que se deberán actuar, puesto que es un medio polvoriento

Siemens aconseja usar el 3SE3 20 1-G, palanca de rodillo de ajuste.

Ilustración 31. 3SE3 20 1-G, palanca de rodillo de ajuste (uso en ambientes polvorientos)21

Es importante tener en cuanta que el medio en el que van a actuar , ya que el

polvo fácilmente puede generar problemas de tipo abrasivo sobre las piezas,

generando un desgaste no deseado, motivo que nos lleva a ulitizar este tipo de

final de carrera.

21 Lista Precios Feb 1 2003 SIEMENS

IM-2004-II-50 55

7. Conclusiones

Se adquirió una vasta experiencia en el área del diseño de piezas mecánicas,

en especial lo referente al troquel de compactación, incluyendo la selección de

materiales por sus propiedades físicas y mecánicas; así como la selección de

elementos de sujeción.

Es posible determinar si el diseño es o no viable por medio de los resultados

dados por las simulaciones, finalmente fueron satisfactorios puesto que se llegó a factores de seguridad bastante confiables lo cual corrobora el diseño.

La experiencia en el manejo y selección de válvulas de circuitos hidráulicos, fue

de vital importancia puesto que de ella dependía todo lo referente a la

seguridad industrial.

Se obtuvo gran información y experiencia en área de la automatización por

medio de PLC s, ya que tanto su programación como ejecución es un campo

poco explorado por los estudiantes de Ingeniería Mecánica

Si bien el sistema no ha sido construido, el diseño y evaluación simulada si lo

están, por lo tanto está pendiente dicha construcción para futuros propósitos de

la Universidad.

IM-2004-II-50 56

8. Bibliografía:

1. Randall M. German. Pow der Metallurgy of Iron and Steel. John Wiley &

Sons, Inc. USA. 1998

2. Goetzel, Claus G. Treatise on Pow der Metallurgy. Vol. 1. InterScience

Publishers, Inc. 1949. USA.

3. Groover, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. Prentice Hall.

USA

4. ASM. ASM HANDBOOK. Vol 7. “Pow der Metallurgy”. ASM International. The

Materials Information Society. 5th ed. 1993. USA.

5. Campo, Fritz Andrés. Tesis de Grado No: IM-2004-I-09. 2004.

6. SHIGLEY, Joseph E y Charles R Mischke. Mechanical Engineering Design.

6th ed. McGraw w -Hill. 2001. USA.

7. http://w w w .monografias.com/trabajos13/valhid/valhid.shtml.

8. ARON. Technical Catalogue ARON 2003. Vol 1. 2003 Italy.

9. Del Razo, Hernández Adolfo, “Sistemas Neumáticos e Hidráulicos: Apuntes

de Teoría” Editorial: U.P.I.I.C.S.A, México D.F., 2001.

10. Gordon J. Van Wylen – Richard E. Sonntag. “Fundamentos de

Termodinámica” Editorial: Limusa, México, D. F.

11. Lea, Susan M; Burke, John Robert. “Phisics The nature of things” Primera

Edición, Editorial: Brooks/Cole., 1997.

12. Vickers. Vickers Industrial Hydraulics Manual. 1st ed. 1970 USA.

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13. Siemens. Simatic S7-200 Programmable Controller System Manual No:

6ES7298-8FA21-8BH0. USA 2000.

13. Siemens. Simatic STEP 7–Micro/DOS No: C79000–G7076–C206–03. USA

2000.

14. Pessen, David W. Industrial Automation. 1st ed. John Wiley & Songs, Inc

USA 1989.

IM-2004-II-50 58

9. Anexos.

Project Author

Andrés Velásquez

Subject

Simulación matriz diferencia de diámetros

Prepared For

Carlos Francisco Rodriguez

Project Created

Wednesday, November 03, 2004 at 10:45:39 AM

Project Last Modified


Report Created


Software Used

ANSYS 8.0

Database

C:\Documents and Settings\moxtb19\My Documents\Rfinal\simulacion matriz.dsdb

1. Summary This report documents design and analysis information created and maintained using the ANSYS® engineering software program. Each scenario listed below represents one complete engineering simulation. Scenario 1

IM-2004-II-50 59 Based on the Iges assembly "C:\Documents and Settings\moxtb19\Desktop\prensa\Simulacion\simulacion matriz.igs". Considered the effect of body-to-body contact, structural loads and structural supports. Calculated safety factors and margins based on maximum equivalent stress and maximum shear stress along with structural results. No convergence criteria defined. No alert criteria defined. See Scenario 1 below for supporting details and Appendix A1 for corresponding figures.

2. Introduction The ANSYS CAE (Computer-Aided Engineering) software program was used in conjunction with 3D CAD (Computer-Aided Design) solid geometry to simulate the behavior of mechanical bodies under thermal/structural loading conditions. ANSYS automated FEA (Finite Element Analysis) technologies from ANSYS, Inc. to generate the results listed in this report. Each scenario presented below represents one complete engineering simulation. The definition of a simulation includes known factors about a design such as material properties per body, contact behavior between bodies (in an assembly), and types and magnitudes of loading conditions. The results of a simulation provide insight into how the bodies may perform and how the design might be improved. Multiple scenarios allow comparison of results given different loading conditions, materials or geometric configurations. Convergence and alert criteria may be defined for any of the results and can serve as guides for evaluating the quality of calculated results and the acceptability of values in the context of known design requirements. Solution history provides a means of assessing the quality of results by examining how values change during successive iterations of solution refinement. Convergence criteria sets a specific limit on the allowable change in a result between iterations. A result meeting this criteria is said to be "converged". Alert criteria define "allowable" ranges for result values. Alert ranges typically represent known aspects of the design specification.

The discussions below follow the organization of information in the ANSYS "Explorer" user interface. Each scenario corresponds to a unique branch in the Explorer "Outline". Names emphasized in "double quotes" match preferences set in the user interface. All values are presented in the "Metric (m m, kg, MPa, °C, s)" unit system. Notice Do not accept or reject a design based solely on the data presented in this report. Evaluate designs by considering this information in conjunction with experimental test data and the practical experience of design engineers and analysts. A quality approach to engineering design usually mandates physical testing as the final means of validating structural integrity to a measured precision.

3. Scenario 1 3.1. "Model" "Model" obtains geometry from the Iges assembly "C:\Documents and Settings\m oxtb19\Desktop\prensa\Simulacion\simulacion m atriz.igs". "Part 1" , "Part 2" , "Part 3" , "Part 4" , "Part 5" , "Part 6" , "Part 7" , "Part 8" , "Part 9" , "Part 10" , "Part 11" , "Part 12" , "Part 13" , "Part 14" , "Part 15" , "Part 16" , "Part 17" , "Part 18" , "Part 19" , "Part 20" , "Part 21" , "Part 23" and "Part 24" were suppressed. Suppressed parts do not effect the results in this scenario in any way. The bounding box for all positioned bodies in the model measures 246.41 by 156.4 by 50.81 mm along the global x, y and z axes, respectively. The model weighs a total of 2.81 kg.

Table 3.1.1. Bodies

Name Material Bounding Box (mm)

Mass (kg)

Volume (mm³)

Nodes Elements

IM-2004-II-50 60 "Part 22"

"4340 templado revenido"

246.41, 156.4, 50.81 2.81 362,693.99 3350 2106

Table 3.1.2. Body Groupings

Name Body Names Bounding Box (mm) Mass (kg) Volume (mm³) Nodes Elements

3.1.1. Contact "Contact" uses a tolerance of 0.0 for automatic detection. "Contact" is set to use symmetric contact.

Table 3.1.1.1. Contact Conditions

Name Type Associated Bodies

Scope Normal Stiffness

Scope Mode

Behavior Formulation Thermal Conductance

PinReg

"Contact Region" (Suppressed)

Bonded "Part 23" and "Part 1"

Face, Face

Program Controlled

Automatic Symmetric Pure Penalty Program Controlled

ProCon

"Contact Region 2" (Suppressed)


Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon

IM-2004-II-50 61



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon

"Contact Region 31" (Suppressed) Bonded

"Part 24" and "Part 22"

Face, Face

Program Controlled Automatic Symmetric Pure Penalty Program

Controlled ProCon



Face, Face

Program Controlled


ProCon

3.1.2. Mesh "Mesh", associated with "Model" has an overall relevance of 0.

IM-2004-II-50 62 "Mesh" contains 3350 nodes and 2106 elements.

No mesh controls specified. 3.2. "Environment" "Environment" contains all loading conditions defined for "Model" in this scenario. The following tables list local loads and supports applied to specific geometry. 3.2.1. Structural Loading Table 3.2.1.1. Structural Loads

Name Type Magnitude Vector Reaction Force

Reaction Force Vector

Reaction Moment

Reaction Moment Vector

Associated Bodies

"Force" Surface Force

400,000.0 N [0.0 N x, 0.0 N y,-400,000.0 N z]

N/A N/A N/A N/A "Part 22"

3.2.2. Structural Supports Table 3.2.2.1. Structural Supports

Name Type Reaction Force

Reaction Force Vector

Reaction Moment

Reaction Moment Vector

Associated Bodies

"Fixed Support"

Fixed Surface 400,000.0 N

[1.98×10-4 N x, 2.22×10-4 N y, 400,000.0 N z]

5.13×10-

3 N·mm

[4.37×10-

3 N·mm x, -1.83×10-

3 N·mm y, 1.99×10-

3 N·mm z]

"Part 22"

3.3. "Solution" "Solution" contains the calculated response for "Model" given loading conditions defined in "Environm ent". It was selected that the program would choose the solver used in this solution. 3.3.1. Structural Results Table 3.3.1.1. Values

Name Scope Minimum Maximum Alert Criteria

"Equivalent Stress" All Bodies In "Model"

6.54 MPa 115.01 MPa None

"Maximum Principal Stress"

All Bodies In "Model"

-52.04 MPa 117.81 MPa None

"Equivalent Strain" All Bodies In "Model"

3.19×10-5 mm/mm 5.61×10-

4 mm/mm None

"Maximum Principal Strain"

All Bodies In "Model"

-5.42×10-

5 mm/mm 5.66×10-

4 mm/mm None

"Total Deformation" All Bodies In "Model"

0.0 mm 2.2×10-2 mm None

"Maximum Shear Stress" All Bodies In "Model"

3.78 MPa 62.05 MPa None

IM-2004-II-50 63 Convergence tracking not enabled.

3.3.2. Equivalent Stress Safety Table 3.3.2.1. Definition

Name Stress Limit

"Stress Tool" Yield strength per material.

Table 3.3.2.2. Results

Name Scope Type Minimum Alert Criteria

"Stress Tool" All Bodies In "Model" Safety Factor 14.17 None

Convergence tracking not enabled.

3.3.3. Shear Stress Safety Table 3.3.3.1. Definition

Name Shear Limit Shear Factor

"Stress Tool 2" Yield strength per material. 0.5

Table 3.3.3.2. Results

Name Scope Type Minimum Alert Criteria

"Stress Tool 2" All Bodies In "Model" Safety Factor 13.13 None

Convergence tracking not enabled.

Appendixes A1. Scenario 1 Figures No figures to display. A2. Definition of "Structural Steel" Table A2.1. "Structural Steel" Properties

Name Type Value

Modulus of Elasticity Temperature-Independent 200,000.0 MPa

Poisson's Ratio Temperature-Independent 0.3

Mass Density Temperature-Independent 7.85×10-6 kg/mm³

Coefficient of Thermal Expansion Temperature-Independent 1.2×10-5 1/°C

Thermal Conductivity Temperature-Independent 0.06 W/mm·°C

Specific Heat Temperature-Independent 434.0 J/kg·°C

Table A2.2. "Structural Steel" Stress Limits

Name Type Value

Tensile Yield Strength Temperature-Independent 250.0 MPa

Tensile Ultimate Strength Temperature-Independent 460.0 MPa

Compressive Yield Strength Temperature-Independent 250.0 MPa

Compressive Ultimate Strength Temperature-Independent 0.0 MPa

Description: "Fatigue Data at zero mean stress comes from 1998 ASME BPV Code, Section 8, Div 2, Table 5-110.1" Material data file: "C:\Program Files\ANSYS Inc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-us\EngineeringData\Materials\Structural_Steel.xml"

IM-2004-II-50 64 Table A2.1. Thermal Conductivity vs. Temperature

Table A2.2. Alternating Stress vs. Cycles

A3. Definition of "4340 templado revenido"

IM-2004-II-50 65 Table A3.1. "4340 templado revenido" Properties

Name Type Value

Modulus of Elasticity Temperature-Independent 205,000.0 MPa

Poisson's Ratio Temperature-Independent 0.3

Mass Density Temperature-Independent 7.75×10-6 kg/mm³

Coefficient of Thermal Expansion Temperature-Independent 6.6 1/°C

Specific Heat Temperature-Independent 0.0 J/kg·°C

Table A3.2. "4340 templado revenido" Stress Limits

Name Type Value

Tensile Yield Strength Temperature-Independent 1,630.0 MPa

Tensile Ultimate Strength Temperature-Independent 1,470.0 MPa

Compressive Yield Strength Temperature-Independent 1,630.0 MPa

Compressive Ultimate Strength Temperature-Independent 0.0 MPa

Material data file: "C:\Documents and Settings\moxtb19\Desktop\prensa\Simulacion\4340.xml"

A4. Glossary Alert Criteria Alerts cause ANSYS to flag results that exceed minimum or maximum allowable values. Bonded Contact Prevents contacting regions on selected faces from sliding or separating. "Glues" the faces together. Bounding Box A three-dimensional cube aligned to the global x, y and z axes that exactly contains a body or assembly. Convergence Tracking Convergence tracking causes ANSYS to iteratively refine the solution until the criteria for allowable change in the result is met or the maximum number of loops is exhausted. Frictionless Contact Models standard nonlinear unilateral contact. Allows free sliding and gaps to form at contact interface. No Separation Prevents contacting regions on selected faces from separating. Frictionless sliding may occur. Relevance Defines the acceptable accuracy for a body and valuates the importance of bodies in an assembly. The relevance range extends from -100 to +100, where -100 implies maximum software speed and +100 implies maximum accuracy in calculating results. Rough Contact Nonlinear contact that allows gaps to form at contact interface but does not allow sliding (infinite coefficient of friction). Scope Filters a result to selected geometry. If combined with convergence tracking, focuses refinement activity on the selected geometry. Visible A user preference that controls the visibility of bodies in figures in this report. Unlike suppressed bodies, invisible bodies are fully considered in the calculation of results. A5. Distributing This Report The following table lists the files that you need to include for posting this report to an Internet or Intranet web server or for moving this report to a different location. Store all files in the same folder as the HTML page. This report was originally generated in the folder "C:\Docum ents and Settings\m oxtb19\Application Data\Ansys\v80\". Table A5.1. Files Included In This Report

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"Table0001.jpg" Table A2.1. "Thermal Conductivity vs. Temperature" Thermal Conductivity vs.

IM-2004-II-50 66

Temperature

"Table0002.jpg" Table A2.2. "Alternating Stress vs. Cycles" Alternating Stress vs. Cycles

Anexo 2: Planos de diseño.