Determinación de la Potencia Requerida



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    1. Determinación de la Potencia Requerida

Para calcular el valor de potencia requerido para efectuar el curvado del tubo bajo las condiciones establecidas se aplica la siguiente ecuación:

H = T ω (3.13)

En donde,


H = Potencia, en vatios W
T = Momento de Torsión, en N m
ω = Velocidad Angular, en rad/seg
Anteriormente se calculó el torque bajo la acción de la misma carga P, teniendo como resultado 2,867.13 Kg m; convirtiendo este valor a N m se tiene que:
T = 28,126.55 N m
La velocidad de rotación del eje es 3 R.P.M., que transformada a radianes / segundo queda:
ω = 0.3142 rad/seg
Reemplazando los valores en la fórmula:
H = (28,126.55) (0.3142)
H = 8,837.36 W ó H = 8.84 KW
La potencia del motor eléctrico leída en la placa de características técnicas es de 25 HP, o convirtiéndola, 18.75 KW, potencia que es mayor al doble de la potencia necesaria para el curvado del tubo, por lo que la máquina no tendrá ningún problema para realizar este trabajo.



    1. Selección de Materiales

Seleccionar el material para fabricar las matrices resulta un poco conflictivo en las condiciones como se ha presentado el problema, en el cual se van ha curvar solamente cuatro tubos, y con la agravante de saber que no hay precedentes de que algún otro Cliente haya solicitado este tipo de servicio anteriormente; además se sabe que, por lo menos en nuestro medio, este tipo de trabajo no es habitual.


La ingeniería induce a seleccionar un acero con todas las propiedades necesarias, tales como tenacidad y resistencia al desgaste, para que la matriz tenga una larga vida útil.
Hay que seleccionar el material y se tienen dos alternativas claramente definidas:


  1. Acero especializado

Como se había señalado, desde el punto de vista de la ingeniería, es la mejor alternativa. Son aceros aleados que cumplen un grupo de propiedades mecánicas determinadas que satisfacen las exigencias del trabajo.
Para realizar una selección adecuada se tienen que tomar en cuenta las siguientes características:


  1. Resistencia mecánica: los esfuerzos producidos bajo la aplicación de la carga P deben ser menores al esfuerzo de fluencia del material para que exista falla ni se generen deformaciones que permitan que el tubo se deforme en direcciones no deseadas, esto es en Y;




  1. Alta resistencia al desgaste: las matrices están en contacto directo con el tubo y si no son fabricadas con un material adecuado sufrirán desgastes severos que se tendrán que ir rectificando, lo que implicará paras, costos adicionales y una corta vida útil.





  1. Tratamiento térmico: cada acero especial tiene sus características de tratamiento térmico. Para las matrices lo adecuado será una nitruración ya que solo se necesita dureza superficial.




  1. Tipo de trabajo: Las matrices trabajarán deformando al tubo, sin que haya impacto ni corte;




  1. Temperatura: se realiza a temperatura ambiente.




  1. Propiedades anticorrosivas: no se necesitan.




  1. Usar acero laminado en caliente ASTM-A-36 disponible en la Empresa

La Empresa dispone de láminas de acero ASTM-A-36, las cuales son importadas, y son destinadas para venta y servicio. Esta alternativa es valedera desde el punto de vista de que la estimación de uso de las matrices es puntual y con casi nula proyección a realizar futuros trabajos. Además, por ser importador del material, éste tiene un costo de fábrica.
Características y usos específicos:

  1. Acero al carbono-manganeso estructural de mediana resistencia y buena soldabilidad adecuado para la fabricación de vigas soldadas para edificios, estructuras remachadas, estructuras atornilladas, bases de columnas, piezas para puentes, fabricación de depósitos de granos, depósitos de combustible, estructuras para túneles, disponible en espesores de 0.0187" hasta 3.000" por colada continua y mayor de 3.000" vía lingote.




  1. Este acero en forma natural presenta tamaño de grano fino.




  1. La prueba de impacto se maneja como requerimiento suplementario por lo que debe haber un acuerdo entre cliente y fabricante para determinar los parámetros de esta prueba que son:

Temperatura de prueba.


Energía absorbida promedio mínimo.
Dirección de la probeta.


  1. Composición química y límite de fluencia

Carbono (máx.) 0.2700%


Manganeso 0.8000 – 1.2000%
Fósforo (máx.) 0.0400%
Azufre (máx.) 0.0500%
Silicio 0.1500 – 0.4000%
Límite de fluencia: 2.5E+07 Kg/m²


  1. Grados equivalentes

BS EN 10025 S275: Acero al carbono manganeso estructural bajo norma europea con características similares al A-36 en propiedades físicas y composición química.


JIS G3132 SPHT-400: Acero al carbono manganeso estructural bajo norma japonesa similar en propiedades físicas y composición química.
Una vez analizadas las propiedades de las dos alternativas planteadas, se tiene que el uso del acero AISI-D2 será el más apropiado técnicamente. Es un acero ledebúrico al cromo, con alta estabilidad dimensional al tratamiento térmico y resistencia al desgaste. Recomendado por fabricante para corte, estampación, trabajo de la madera, cuchilla para tijera de corte en frío, conformación en frío, prensado de materiales cerámicos, moldes para plásticos y troqueles de corte en frío. Permite ser tratado térmicamente por nitruración.
Por otro lado, por costos y tiempo de fabricación de las matrices inducen a analizar el acero ASTM-A-36. ¿Qué ventajas tendría este acero sobre el AISI-D2? a) velocidad desbaste es muchísimo más alta, se puede hablar en un margen del 500% aproximadamente; y, b) los costos del AISI-D2 es aproximadamente el 1300% más.
Ambos cumplen con la resistencia mecánica suficiente soportar los esfuerzos generados por la carga P.
En cambio, la desventaja que presenta el acero A-36, es la factibilidad para efectuar adecuados tratamientos térmicos. Por experiencia, al acero A-36 se le puede hacer cementación, pero con baja penetración, es decir, tendiente siempre a efectuar continuas rectificaciones y tratamientos térmicos con el uso, ya que no existe lubricación de ningún tipo.
Adicionalmente, el grado de dureza HRC no se podrá garantizar, alcanzando un máximo de 58.
Por la situación planteada se tomó la decisión de realizar la fabricación de las matrices con acero ASTM-A-36.


    1. Fabricación de Rodillos

Para la fabricación de los rodillos se va a usar una lámina o planchón de 2,440 mm. x 6,100 mm. x 150 mm. de espesor (laminado en caliente). De aquí en adelante se generan los siguientes procesos:




  1. Corte circular en pantógrafo óptico

Para iniciar la fabricación de las matrices, la plancha se traslada hasta la mesa del pantógrafo óptico, en donde por medio calor (oxi-acetileno) se van a cortar tres cilindros huecos, los que posteriormente serán los rodillos.


Para lograr esto, hay que realizar un dibujo de los diámetros de las matrices en bruto para que el lente siga las líneas y de dirección a la antorcha ejecutando el corte a la medida. En este caso en el dibujo se dará +20 mm. al diámetro exterior y –20 mm. al inferior. Esta tolerancia considera la pérdida de material que se produce por efecto del corte que realiza la antorcha y para rectificado posterior en el torno. (Ver planos No. 7 y 8).

Fig. 3.26. Pantógrafo Optico Efectuando Operación de Corte




  1. Rectificación en el torno

Las tres piezas cortadas pasa al taller de máquinas herramientas, en donde van a ser mecanizadas en el torno. Hay cuatro operaciones que realizar:
Desbastar las piezas hasta obtener el diámetro mayor de las matrices, esto es, 381 mm. Esto se aplica para las tres matrices.
Desbastar las piezas para obtener el diámetro interior, que es en donde entra el eje de la máquina. Para este caso dos matrices deben de tener 178 mm. de diámetro interior y que corresponden a los ejes inferiores de la máquina; y, la otra matriz debe tener 216 mm. de diámetro interior y corresponde a la matriz superior.
Desbastar los rodillos para darle el radio de curvatura correspondiente al del tubo, esto es, 57.15 mm.
Por último, rectificar las caras planas de las matrices, que debe ser lo mínimo solo para garantizar paralelismo entre ellas.
Los detalles de medidas y especificaciones para la fabricación de las matrices se encuentran en los planos No. 9 y 10.


    1. Montaje y Ajustes en la Máquina

El montaje de los rodillos es una operación relativamente sencilla; un operador con experiencia lo puede hacer sin ningún problema. Esto es debido a que la matriz está compuesta por un solo cuerpo y no hay que calibrar ningún ancho específico como sería el caso de realizar el montaje para rolar algún tipo de platina o viga de alma abierta.


La máquina debe de tener los ejes libres de rodillos, tal como se observa en la figura 3.28., en donde solo se visualizan los ejes porta-matrices. Es de notar que el eje superior tiene mayor diámetro que los inferiores como se había mencionado anteriormente.

Fig. 3.27. Desmontaje de Rodillos para que los Ejes queden Liberados.



Fig. 3.28. Ejes Libres, Listos para Realizar el Montaje


También se observan los platos-topes que sirven de tope para las matrices. Estos están perfectamente alineados con referencia a sus caras.
Se introducen las matrices seguidas de discos o platos de “relleno” hasta el nivel de la rosca del eje de tal manera que cuando se monte la tuerca ésta apriete fuertemente los platos (ver planos No. 11 y 12).

Fig. 3.29 Matrices Montadas





    1. Proceso de Curvado

El proceso de curvado, al igual que el montaje, no tiene complejidad alguna.

Es una máquina muy sencilla de operar. Consta de dos mandos que se encuentran en la parte superior derecha de la máquina (ver figura 3.30), uno para operar el avance y retroceso del rodillo superior y otro para darle motricidad a los tres rodillos en ambos sentidos de giro. Básicamente, la experiencia que debe tener el operador con la máquina, es tener la sensibilidad para darle avance al rodillo superior, puesto que si se sobrepasa el curvado es sumamente difícil y hasta en unos caso imposibles volver a enderezar el material. Por supuesto, esta experiencia la gana con el número de curvados efectuados y también por errores cometidos. En la figura 3.27. se puede observar al fondo acumulado material mal curvado, que en algunos casos puede representar severas pérdidas económicas.
Una vez lista la máquina el primer paso es montar el tubo entre los rodillos. Se puede efectuar esta operación con dos procedimientos:


    1. Levantando el rodillo superior hasta dejar la holgura suficiente para insertar el tubo frontalmente a la máquina; y,




    1. Introduciendo lateralmente el tubo de punta hacia los rodillos a la máquina. Este último procedimiento es muy conveniente pero es válido solo cuando está libre de materiales la zona aledaña a la máquina. De esta manera se trabajaron los cuatro tubos.


Fig. 3.30 Introducción del Tubo para Iniciar el Proceso. Se puede Observar Arriba a la Derecha el Control de Mando de la Máquina.



Fig. 3.31 Introducción del Tubo Lateralmente


El tubo se lo posiciona de manera que quede el extremo justo sobre la mitad del rodillo, coincidiendo con el eje vertical. De aquí en adelante se necesita la destreza del operador.

Se ajusta el rodillo superior lo suficiente para que el tubo no patine y se opera la rotación de manera de llevar el tubo de un extremo al otro. En esta primera pasada el tubo no se deforma, ya que la carga aplicada es mínima.


Fig. 3.32. Tubo Trasladándose de un Extremo a Otro.


Una vez que se ha pasado el tubo hasta el otro extremo, se repite la operación pero esta vez bajando el rodillo superior que incrementa la carga P causando esta vez una deformación permanente.
Este paso hay que repetirlo las veces que sean necesarias hasta llegar al radio de curvatura deseado. Este radio se va verificando en cada pasada por medio de una plantilla.

Es importante destacar que el control que se hace con la plantilla está fuera de la acción de los rodillos, ya que por la resiliencia del material, la deformación del tubo entre los rodillos no es totalmente plástica teniendo un pequeño retorno hacia su forma previo el curvado.


Llegado el radio de curvatura se expulsa al tubo por uno de los extremos, como se había dicho anteriormente, siempre y cuando no existan materiales que impidan este procedimiento, caso contrario habrá que levantar el rodillo superior hasta poderlo retirar por la parte frontal de la máquina.


    1. Análisis de Costos

En este subcapítulo se revisarán los costos de fabricación de la matrices y se hará un cuadro comparativo con el acero trabajado, en este caso el ASTM-A-36 y con el acero especial AISI-D2.


Se tomarán en cuenta las siguientes partidas a esa fecha:


  1. Material utilizado;




  1. Operaciones de Máquinas;




  1. Trabajos Externos; y,




  1. Transporte.




Diámetro - Peso

ASTM-A-36

AISI-D2

Diámetro Interior Menor (mm)

178

178

Diámetro Interior Mayor (mm)

216

216

Diámetro Exterior (mm)

381

381

Peso Bruto Rodillo Inferior (Kg)

189.34

134.25

Peso Bruto Rodillo Superior (Kg)

189.34

134.25

Peso Bruto Total Rodillos (Kg)

568.03

402.74

Peso Neto Rodillo Inferior (Kg)

56.74

56.74

Peso Neto Rodillo Superior (Kg)

42.89

42.89

Peso Neto Total Rodillos (Kg)

156.37

156.37

Tabla 3.7. Dimensiones y Pesos de Rodillos




Costos por Unidad de Medida

ASTM-A-36

AISI-D2

Material ($/Kg)

0.50

7.00

Oxi-Corte en e=150 mm. ($/m)

0.80

0.80

Operación Pantógrafo ($/h)

2.29

2.29

Operación Torno ($/h)

10.00

10.00

Tratamiento Térmico ($/Kg)

0.00

3.00

Tabla 3.8. Costos por Unidad de Medida




Periodo de Operación

ASTM-A-36

AISI-D2

Pantógrafo (h)

1.93

0.00

Torno (h)

48

120

Tabla 3.9. Periodo de Operación





Costos de Transportación

ASTM-A-36

AISI-D2

Material (Compra) ($)

0.00

20.00

Material (Tratamiento Térmico) ($)

0.00

40.00

Tabla 3.10. Costos de Transportación del Material




COSTOS TOTALES

ASTM-A-36

AISI-D2

Material

284.01

2819.17

Operación Pantógrafo ($)

8.88

0.00

Operación Torno (h)

480.00

1,200.00

Tratamiento Térmico ($)

0.00

469.11

Total Transporte Material ($)

0.00

60.00

COSTO TOTAL DE FABRICACION

772.90

4,548.28

Tabla 3.11. Costos Totales de Fabricación






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