Silva, C., Barboza, R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. – Rev. Ingeniería: Ciencia, Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1, ISSN: 2313-1926/2014 DISEÑO DE UNA MÁQUINA DOBLADORA CONTROLADA POR ACCIONAMIENTO ELECTROHIDRÁULICO PARA PERFILES ESTRUCTURALES LAC Y TUBOS SCH 40 DE HASTA 4 PULGADAS DE DIÁMETRO DESIGN OF A CONTROLLED BENDING MACHINE ELECTRO-HYDRAULIC STRUCTURAL PROFILES FOR LAC AND PIPE SCH 40 UP TO 4 INCHES IN DIAMETER César Enrique Silva Sandoval Rolando Barboza Huamán 1 2 Resumen Ante la rigidez de las formas rectas, que por naturaleza ofrece el metal, y la falta de automatización en el proceso de doblado surgió la necesidad de diseñar una máquina dobladora con accionamiento electrohidráulico que hiciera posible la no existencia de las deformaciones mecánicas y estéticas del material generando curvas de calidad todo esto gracias a la fuerza necesaria de doblado, radio mínimo de curvatura y desviación del eje neutro. Se planteó como objetivo principal el diseño de una máquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. Para cumplir con dicho objetivo; se realizó un diseño conceptual de la máquina, en el cual se describió todo lo referente a los distintos tipos de proceso y máquinas de doblado existentes en el mercado; así mismo, se realizó la descripción de las deformaciones que se producen en el proceso de doblado. En el que se incluyen los parámetros para evitarlas. En este mismo orden de idas; se trabajó con un diseño detallado, en el que se realizaron los cálculos pertinentes al diseño y selección de los distintos mecanismos que conforman la máquina, siendo estos analizados mediante software de Análisis de Elementos Finitos. Con el diseño de la máquina se obtiene que el factor de curvatura debe ser mayor de 2 y el ángulo de transición aproximadamente 5 de tal forma se evita la formación de arrugas y recuperación elástica respectivamente Las características del tubo, ángulo de doblado, radio de curvatura son las variables independientes y las variables dependientes son el diseño, la potencia y velocidad de la máquina. El diseño de la maquina cuenta con el proceso de doblado por jalado rotatorio debido a que es más adecuado y puede usarse sin mandril, esta herramienta ayuda a no formar arrugas en el material. Se realizó el cálculo tomando como muestra el tubo SCH 40 de mayor dimensión que para este caso es de 4 pulgadas obteniendo una fuerza mínima de 283.43 KN, Se realizó el cálculo teórico tomando en cuenta un factor de seguridad de 2 recomendados según la norma ASME. Se tuvo gran consideración en los elementos principales al momento del diseño realizando el análisis de carga estática y el análisis para falla por fatiga para asegurar el buen y correcto funcionamiento de la máquina. 1 Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo. Egresado. Chiclayo. Lambayeque. Perú.
[email protected]. 2 Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo. Egresado. Chiclayo. Lambayeque. Perú.
[email protected]. Rev. Ingeniería: Ciencia, Tecnología e Innovación 2014 2(1) Barboza. tubos SCH 40.289. Rev.. which naturally provides the metal. Likewise.39 dólares. and the lack of automation in the folding process became necessary to design an electro-hydraulic bending machine that made possible the absence of mechanical and aesthetic material deformations generating quality curves all thanks to the bending force needed. the description of the deformations that occur in the bending process is performed. proceso de doblado. Diseño mecánico. In which the parameters for avoiding included. and minimum radius of curvature of the neutral axis deviation. To meet this objective. electrohidrulica. El maquina dobladora de perfiles LAC y tubos SCH 40 tiene un costo total de $22.5 mm y las tensiones generadas se encuentran dentro del límite elástico. se modelo los componentes para visualizar el modelo final de la pieza. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. los desplazamientos menores a 0. bending radius are the independent variables and the dependent variables are the design.Silva. Ingeniería: Ciencia. – Rev. we worked with a detailed design. a conceptual design of the machine. ISSN: 2313-1926/2014 Con la ayuda del software SOLIWORK. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. and these software analyzed using Finite Element Analysis. Palabras claves: Dobladora. bending angle. In this same order of comings.01 y las normas UNE 1032 de dibujo técnico en general. With the design of the machine is obtained that the curvature factor should be greater than 2 and about 5 transition angle so wrinkles and prevents springback respectively The characteristics of the tube. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . the power and speed of the machine. Los planos se elaboraron de acuerdo a las normas técnicas peruanas NTP: ICS 01. The design of the machine has the folding process by rotating pulled because it is more suitable and can be used without mandrel. ____________________________________________________________________________ Abstrac Given the rigidity of straight lines. C. Ingeniería: Ciencia. in which everything related to the various types of process and machines on the market folded described was performed.5. Con el software FEA de SOLIWORK Se obtuvo de los elementos principales los factores de seguridad mayores a 1. The calculation was performed taking as example the SCH larger tube 40 which in this case 4 inches is obtaining a minimum strength of KN 283. maquina.43. perfiles LAC. in which the relevant calculations in the design and selection of the various mechanisms that make the machine were made. Raised as main objective the design of a bending machine controlled electrohydraulic drive for structural shapes and tubes LAC SCH 40 up to 4 inches in diameter. this tool helps not form wrinkles in the material.100. Barboza. ruptura completa del material. mechanical design. Ingeniería: Ciencia.5 mm and the generated voltages are within the elastic limit. entre muchas otras aplicaciones que se pueden obtener mediante este proceso de doblado. drive.. d) Calcular la fuerza necesaria para el proceso de doblado del perfiles LAC y tubos SCH 40 de 4 pulgadas de diámetro. Además de muebles. ambiental y de seguridad vigente”. The bending machine profiles and tubes LAC SCH 40 has a total cost of $ 22. Keywords: bend ing. construcciones civiles y maquinaria. Por todo lo anteriormente expuesto. Lo cual ya la realización de este objetivo se plantearon los siguientes objetivos específicos: a) Determinar las deformaciones en el proceso de doblado de perfiles LAC y tubos SCH. ISSN: 2313-1926/2014 The theoretical calculation was performed taking into account a safety factor 2 Recommended by ASME.Silva. calderas.01 1032 and UNE technical drawing in general. puesto que un cálculo erróneo o exceso de fuerza puede arruinar el material tanto estética como mecánicamente originando la aparición de arrugas. surge la iniciativa de construir una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro con la finalidad de minimizar las deformaciones en el material. ____________________________________________________________________________ 1. c) Evaluar las alternativas para el diseño de la máquina para posterior selección de los componentes. pasamanos. Great consideration was taken into the main elements at the time of performing the analysis of static load and fatigue failure analysis to design to ensure the smooth and proper functioning of the machine. precisión y calidad. Desde hace décadas se implementó la inclusión de este método con el fin obtener la forma curva de tubos y perfiles estructurales Son aportes para la construcción de infinidades de elementos utilizados en el transporte de fluidos. components model to visualize the final part model. tubes SCH 40. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. cuyo procedimiento radica en doblar tubos metálicos mediante fuerza mecánica o hidráulica hasta lograr el radio requerido sin necesidad de someter el material a elevadas temperaturas. The plans were prepared according to Peruvian technical standards NTP: ICS 01.100.5. C. b) Identificar las variables principales del proceso de doblado de tubos. – Rev. With the FEA software was obtained SOLIWORK major elements safety factors greater than 1. la industria automotriz (trimoviles). andamios. intercambiadores de calor. bending process. Ingeniería: Ciencia. también como componentes estructurales en la industria naval. y así entregar el producto final de buena calidad. Introducción En la actualidad han surgido nuevos tecnologías para mejorar la calidad del producto en el proceso de doblado de tubos. LAC profiles. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . With the help of software SOLIWORK. higiénica. Rev. the small displacement of 0. el cual requiere experiencia. electrohidrulica.289. El objetivo general es “Diseñar una máquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro considerando la normativa técnica. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. machine. rieles.39. Materiales y métodos En lo que concierne a esta investigación. departamento de Lambayeque. se toma como población todos los diámetros y perfiles que se fabrican actualmente. j) Elaborar el plan de mantenimiento preventivo. f) Modelar los componentes en software CAD/CAE. El periodo de estudio para la investigación fue de 8 meses.. El estudio se realizó en la Universidad Señor de Sipán. i) Realizar el análisis económico de la máquina. de ésta manera se contribuye al cuidado del medio ambiente. mecanismos de conversión de movimiento lineal a movimiento angular y un mecanismo de sujeción en el tubo que ayudara a resolver los problemas que representa el método de doblado de tubos obteniendo mejores resultados. ISSN: 2313-1926/2014 e) Realizar el cálculo mecánico teórico de los elementos más críticos para el posterior dimensionamiento y selección de los componentes de la maquina dobladora. La variable independiente son los parámetros del material a doblar (se considera las características del tubo. k) Elaborar el manual de instalación y de operación de la máquina. En la actualidad existen dos proveedores reconocidos como son ACEROS AREQUIPA Y SIDERPERU que suministran distintos tipos de tubos y perfiles. Angulo de doblado y radio de curvatura) y la variable dependiente sin los parámetros de la maquina (está referida al diseño la potencia y velocidad de la maquina) Utilizamos las siguientes técnicas para la recolección de la información: observación. El diseño trabaja con un sistema hidráulico donde se utilizara el aceite más recomendable para no ser cambiado durante un buen tiempo de operación y solo remplazar el filtro del sistema. – Rev. Tomaremos como muestra los tubos SCH 40 con un diámetro de 4 pulgadas. distrito de Pimentel. Después del análisis de los textos “diseño de ingeniería mecánica” y “electrohidráulica” diseñaremos los componentes principales de la maquina dobladora Por último el análisis estructural lo llevaremos a cabo en el software Solidworks . Primero partiremos del análisis de documentos. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. C. g) Analizar mediante software FEA (Análisis de Elementos Finitos) los elementos mecánicos más críticos del diseño. h) Elaborar los planos de la máquina utilizando las normas de representaciones graficas de ingeniería. Rev. en donde se obtendrá todo la información necesaria sobre el proceso de doblado. Ingeniería: Ciencia. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . El diseño de la maquina cuenta con un sistema hidráulico. Brinda mejores condiciones de trabajo y seguridad al operario y de otra forma ayuda a su especialización en nuevos procesos de doblado y manejo de nuevos mecanismos. Partiremos del “Diseño y construcción de una máquina dobladora de tubos hidráulica con accionamiento automático” el cual nos servirá como punto de partida para el diseño. análisis de documentos y simulación con software de ingeniería. 2. Barboza. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1.Silva. provincia Chiclayo. Ingeniería: Ciencia. En la figura 2 mostramos los grados de libertad que tiene la maquina Rev. La máquina está formada por 5 partes. mesa soporte de brazos.Silva. La máquina fue diseñada teniendo en cuenta los parámetros que se muestran en la tabla 1. Estos parámetros se obtuvieron del catálogo de Aceros Arequipa. carro longitudinal. C. bancada. brazo fijo. ISSN: 2313-1926/2014 3. Ingeniería: Ciencia. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. Ingeniería: Ciencia. Barboza. el brazo móvil. Resultados Los resultados de la investigación fueron los siguientes: se diseñó una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro.. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. – Rev. Silva. Ingeniería: Ciencia. Rev. de modo que esto le permitirá deformar el tubo de la manera requerida. ISSN: 2313-1926/2014 La disposición de los apoyos y la guía al momento de curvar es esencial. – Rev. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1.. se muestra la disposición de los apoyos y la guía. En la figura 3. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. Ingeniería: Ciencia. C. Barboza. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . con sus respectivos espesores y radios de curvatura para un factor de curvatura de 2. Ingeniería: Ciencia. Ingeniería: Ciencia.5 a 3. ISSN: 2313-1926/2014 Una vez que la guía comienza a girar alrededor del disco moldeador.5. 2. Los valores de Fc entre 1 y 2. Esta relación se conoce como factor de curvatura. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . Barboza. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. alquitrán o arena seca para evitar que se produzcan defectos de calidad. C. (Rc). la cual permitirá deformarlo plásticamente en el proceso de doblado La calidad de las curvas obtenidas al doblar un tubo depende en gran parte de la relación que existe entre el diámetro exterior del tubo a doblar.5 En la figura 4. arrugas ni grietas. En la tabla 2 se muestran diferentes diámetros de tubería.. El valor recomendado del factor de curvatura está en un rango de 2. indican que el doblez es de alta dificultad. Por medio del factor de curvatura es posible determinar el radio mínimo de curvatura que se le puede dar al tubo con el fin de que este no presente achataduras.Silva. por lo tanto es necesario calentar el tubo o utilizar elementos de relleno como mandriles. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. en el cual el doblez se considera simple. esta nos indica que a menor factor de curvatura habrá menor radio de curvatura pero mayor es la fuerza de doblado Rev. – Rev. y el radio de curvatura obtenido después de doblar el tubo. (Fc). se puede apreciar la variación que tiene la fuerza con relación al radio mínimo de curvatura. resina. se comenzará a ejercer una fuerza en el perfil.5. (Øe). 3 y 3. ISSN: 2313-1926/2014 El diseño de la máquina constará de un eje principal. También se realizó el cálculo de diseño por fatiga donde se utilizó la ecuación del criterio de ED – Goodman Dando como resultado un eje de diámetro de 6 pulgadas Rev. se utilizó para el desarrolló el análisis de fuerzas en los planos (x-y) y posteriormente (x-z). en el cual se trasmitirá el torque necesario a través de un engranaje. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. – Rev. Ingeniería: Ciencia. El diagrama del cuerpo libre del eje mostrando las cargas que se aplican. Ingeniería: Ciencia. Barboza. Tecnología e Innovación 2014 2(1) .Silva. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1.. Como se ve en la figura 5. torsión y flexión) templado y revenido a 1200ºF puesto que es un material lo suficientemente resistente para soportar las cargas que actúan en el mismo y ser lo menos voluminoso posible Usando la Teoría De La Energía De La Distorsión (DET) también conocido como el criterio de Von Mises se calculó el diámetro más pequeño donde la falla empezara a ocurrir. El eje principal es de una aleación de Acero AISI 4340 (acero bonificado al cromo-níquel-molibdeno apto para altas exigencias a la tracción. C. . En la figura 6 se aprecia el analisis del eje principal mediante elementos finitos. Barboza.Silva. Rev. C. Ingeniería: Ciencia. ISSN: 2313-1926/2014 Se procedió primero al diseño del eje y posteriormente se simuló el modelo en Elementos Finitos utilizando el software Solidworks. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. como se aprecia en la tabla 3. Ingeniería: Ciencia. Dando como resultado que las deformaciones previstas son más que aceptables. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . – Rev. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. En este circuito se aprecia la conexión de los cilindros hidráulicos y sus componentes como las electroválvulas y válvulas reguladoras de presión. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . Barboza.. Rev. El esquema del circuito hidráulico correspondiente para la máquina dobladora de tubos se puede observar en la figura 7. Ingeniería: Ciencia. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1.Silva. C. – Rev. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. Ingeniería: Ciencia. ISSN: 2313-1926/2014 Todos los componentes mecanicos que se diseñaros fueron simulados mediante software FEA dando resultados satisfactorios. ISSN: 2313-1926/2014 Rev.. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. Barboza. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. – Rev. Tecnología e Innovación 2014 2(1) .Silva. Ingeniería: Ciencia. Ingeniería: Ciencia. C. Radio. rieles. y aproximadamente 5 debe ser el ángulo de transición para evitar la recuperación elástica o springback. de este modo se obtiene curvas de calidad y precisión. – Rev. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. Se determinó que las características del tubo. ISSN: 2313-1926/2014 4. andamios. Se realizó el cálculo teórico tomando en cuenta un factor de seguridad de 2 recomendados según la norma ASME.43 KN para un factor de curvatura de 2. Se cumplieron con los objetivos específicos llegando a los siguientes resultados: Se obtuvo que la formación de arrugas se puede evitar si se tiene en cuenta el radio de curvatura mínimo del tubo que es directamente proporcional al factor de curvatura y este debe ser mayor de 2. mejorando la toma de decisiones al momento de diseñar componentes mecánicos. la condición necesaria para la cual no se formarían arrugas en la parte interna de la curva es cuando se cumple la siguiente condición: Este resultado está en lo correcto con nuestro cálculo y se puede apreciar con el radio mínimo de curvatura. Además de muebles. pasamanos. Barboza.. Rev. Se realizó el cálculo tomando como muestra el tubo SCH 40 de mayor dimensión que para este caso es de 4 pulgadas obteniendo una fuerza mínima de 283. construcciones civiles y maquinaria. C. Ingeniería: Ciencia. la industria automotriz (trimoviles).5 Mpa) y estas dos últimas menores a la resistencia ultima a la tensión del material (Sut=330 Mpa). rodamientos. El eje y engranaje principal. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. entre muchos más El cual requiere experiencia. Conclusiones Se diseñó una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro.Silva. se tuvo gran consideración al momento del diseño realizando el análisis de carga estática y el análisis para falla por fatiga para asegurar el buen y correcto funcionamiento de la máquina. el cual es de bastante ayuda al momento visualizar el modelo final de la pieza. puesto que un cálculo erróneo o exceso de fuerza puede arruinar el material tanto estética como Según Wang. si este factor aumenta la fuerza disminuye como se puede apreciar en la gráfica de Fuerza . También la fuerza de doblado cumple con la condición necesaria donde el límite de fluencia (Sy= 205 Mpa) es menor al esfuerzo de diseño (Sd=307. 5. chaveta y pasadores son algunos de los elementos principales de la máquina. la potencia y velocidad de la máquina. Ingeniería: Ciencia. Se modelo los componentes con la ayuda del software SOLIWORK. Discusión Esta máquina es utilizada ampliamente componentes estructurales en la industria naval. radio de curvatura son las variables independientes de esta investigación por que producen un cambio en las variables dependientes que para este caso son el diseño. esta herramienta ayuda a no formar arrugas en el material pero cuando no es regulada correctamente dificulta el proceso. Se evaluó que el doblado por jalado rotatorio es el proceso de doblado más adecuado y puede usarse sin mandril. precisión y calidad. ángulo de doblado. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . Rev. los desplazamientos son menores a 0. El maquina dobladora de perfiles LAC y tubos SCH 40 tiene un costo total de $22.Silva.39 dólares. todos estos datos se obtuvieron con el software FEA de SOLIWORK. ISSN: 2313-1926/2014 Se obtuvo de los elementos principales los siguientes resultados: factores de seguridad mayores a 1.01 y las normas UNE 1032 de dibujo técnico en general con la necesidad de plasmar en el plano (dos dimensiones) la representación de objetos tridimensionales así como de poder construir las piezas partiendo de los planos correspondientes. Ingeniería: Ciencia. Se elaboró los planos de acuerdo a las normas técnicas peruanas NTP: ICS 01. Se elaboró el plan de mantenimiento clasificando las rutinas en: diarias.100. Tecnología e Innovación VOL 2/N° 1. área de trabajo y características principales de la máquina.5.. R Diseño de una maquina dobladora controlada por accionamiento electrohidráulico para perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 de hasta 4 pulgadas de diámetro. nivelación. Se elaboró el manual instrucciones de la maquina brindando las pautas para el trasporte. semestrales y anuales. C. mensuales. Ayudando a facilitar una mejor operación y del mismo modo asegurar la vida útil de la máquina. – Rev.289. semanales. Ingeniería: Ciencia. Barboza.5 mm y las tensiones generadas se encuentran dentro del límite elástico del material. Tecnología e Innovación 2014 2(1) . . • Yang. International Journal of Advantages of Manufacturing Technologies (Vol. • Vílchez. Journal of Engineering Materials and Technology (Vol. I.. Curvadora de Tubos . (2008). México: McGraw-Hill/INTERAMERICANA EDITORES. 11. (2004). G. Tube Bending Under Axial Force and Internal Pressure. Puno Rev.. G. • Wang. X. S. E. J. J. Santana Milán. • Vargas Carrera. U. • Wang. Tesis de Pregrado... (2014). • Strano M. J.Ecuador.). (2013). & Laura Mamany. (2012). D.Una Maquina Dedicada a la Forma. • Tates Taramuel...Silva. Wrinkling analysis for forming lim-it of tube bending processes. (2011). ButterworthHeinemann. (2005). 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