ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“DISEÑO DE UN TREN DE LAMINACIÓN EN FRÍO PARA PRODUCIR PERFILES ESTRUCTURALES DE 4 x 4 EQUAL LEG ANGLE DE MATERIAL ASTM A 36 GALVANIZADO CALIBRE 10
T E S I S P R O F E S I O N A L
QUE PARA OBTENER EL TÍ TULO DE INGENIERO MECÁNICO
PRESENTAN:
GÓMEZ SÁNCHEZ UBINIO CHAYAN TRINIDAD CRUZ ANGEL EDUARDO
ASESORES
ING . JOSE CARLOS LEON FRANCO M. en C. RICARDO SÁNCHEZ M.
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“
AGRADECIMIENTOS AETC
A mis padres, Clara y Arístides que me han apoyado incondicionalmente durante toda mi vida y me han dado la libertad de elegir mi camino, que me han inculcado todos los valores para ser el hombre que ahora soy.
Al Instituto Politécnico Nacional, a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, a sus profesores, porque gracias a todos ellos en su conjunto tengo los conocimientos necesarios para desempeñarme profesionalmente y porque soy politécnico por convicción y no por circunstancias.
A mis hermanos Carlos y Fernando, de quienes he aprendido muchas cosas de la vida y me han brindado su apoyo.
A mis amigos Chayan, Alonso, Manuel, que me han ofrecido su amistad y apoyado en diferentes situaciones y que sé, puedo contar con ellos. También a todas aquellas personas que he conocido a lo largo de mi vida porque he aprendido algo de ellos.
A nuestros asesores Ing. José Carlos León Franco y M. en C. Ricardo Sánchez M. que nos dedicaron sus conocimientos para el desarrollo de esta tesis
.
GRACIAS.
Angel Eduardo Trinidad Cruz
AGRADECIMIENTOS UCGS
Agradezco al Instituto Politécnico Nacional, que a lo largo de los años ha creado a los ingenieros de mayor prestigio a nivel nacional, que nos proporciona el orgullo de saber que somos parte de esta gran institución, y sobre todo, por formarnos como profesionistas y brindarnos la templanza de ser los futuros ingenieros del país.
A nuestra querida Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), que proporciono sus instalaciones, servicios y a los mejores ingenieros y maestros que nos impartieron las diferentes materias, que además, depositaron sus conocimientos en todos y cada uno de nosotros y que hoy nos ven realizados.
Agradezco con todo mi corazón a mis padres, que con grandes esfuerzos me brindaron los estudios, me heredaron la gama más excelsa de valores que un individuo puede recibir, la inteligencia, el conocimiento, la sabiduría y la ética, los cuales, forjaron mi carácter y personalidad.
Mis hermanos, Angel, Myria, Erika, Juan, que sin duda alguna han confiado en mí, que han compartido gran parte de sus experiencias y que de cierta forma, me han guiado facilitándome el camino de la vida mil gracias.
Agradezco en especial a Cristina Fuentes Medrano, quien ha sido un soporte y apoyo en mis éxitos y fracasos, por dejarme compartir parte de mi vida a su lado y demostrarme que los sueños son alcanzables con base a la perseverancia y convicción, gracias Amor.
A mi querida abuelita “Miluchita” quien me enseño las bondades de la naturaleza y que con su infinita sabiduría me dio la mejor de las lecciones… superarme para ser mejor día a día. Con todo mi amor y en el cielo donde te encuentras te agradezco infinitamente.
Mis amigos entrañables Angel, Alonso, Manuel, Jaime, que han convivido a lo largo de la carrera sus modos y estilos que a cada uno de ellos le caracteriza, los estimo y aprecio como personas y como profesionales.
Agradezco a nuestros asesores que depositaron en nosotros sus conocimientos, su tiempo y su confianza para poder llevar acabo esta tesis, mi más sincero respeto y admiración al ingeniero José Carlos León Franco y al Maestro en Ciencias, Ricardo Sánchez M.
Gómez Sánchez Ubinio Chayan
ÍNDICE
III IV V
1 2 3 7 9 10 16 24 25 25 26 27 28 28 30 33 34 37 42 46 48 48
3.4.1- Bandas………..
3.4.- Transmisiones de potencia………
3.3.2.- Tipos de cojinetes……….
3.3.- Cojinetes……….
3.1.- Herramientas de doblado……….
3.2.- Ejes y flechas………..
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………..
OBJETIVOS………
JUSTIFICACIÓN……….
CAPÍTULO I: ANTECEDENTES HISTORICOS………..
CAPÍTULO II: PROCESOS DE LAMINACIÓN………
SEGUNDA PARTE: MARCO TEORICO
CAPÍTULO III:ELEMENTOS DE LA MÁQUINA………
3.1.1.- Definiciones……….……….
3.1.2.- Tipos de cilindros para doblado……….………
PRIMERA PARTE: MARCO METODOLÓGICO
1.1.- Generalidades………..
1.1.1.- Características de los procesos de formado de láminas metálicas…..
1.2.- Historia de la laminación………
2.1.- Tipos y procesos de laminación………
2.2.- Trenes para laminación……….
3.3.3.- Secuencia de selección para cojinetes…….………..……….
3.3.4.- Consideraciones para la colocación de cojinetes………..
3.2.1.- Definiciones y aplicaciones……….
3.2.2.- Diseño de flechas……….
3.2.3.- Deducción de la ecuación del código ASME……….
3.3.1.- Definiciones y nomenclatura……….
50 51 52 52 53 53 53 53 54 54 55 56
58 59 59 60 67 67 68 79 82 82 83 101 102 103 121 121 121 123 123 162
3.5.1.- Pernos y tornillos……….
3.5.2.- Soldadura……….………
4.1.- Selección y desarrollo del perfil estructural………..
4.1.1.-Selección del perfil estructural………..
4.1.2.-Desarrollo del perfil estructural………..
4.2.- Diseño de la herramienta de doblado (Rodillos)………
4.2.1.-Funciones y parámetros de diseño………...…
4.2.2.-Secuencia de diseño para la herramienta de doblado………...
4.3.1.- Funciones y parámetros de diseño………..
4.3.2.- Secuencia de diseño para la flecha………
4.4.- Selección de cojinetes………
4.4.1.- Funciones y parámetros de diseño……….
4.6.- Diseño final de flechas de transmisión………
3.4.2.- Engranes……….
3.4.3.- Cadenas……….
3.4.4.- Comparación entre trasnmiciones de cadena y engranes………
3.4.5.- Comparación entre transmiciones de cadena y bandas………
3.4.4.1.- Ventajas de las cadenas……….………
3.4.4.2.- Ventajas de los engranes………...………
3.5.- Elementos de sujeción………
3.6.- Análisis estructural………...
CAPÍTULO IV: DISEÑO DEL TREN DE LAMINACIÓN EN FRÍO……….
TERCERA PARTE: METODOLOGÍA
4.4.2.- Secuencia de diseño para los cojinetes……….
4.5.- Selección y diseño de transmisión de potencia………..
4.5.1.- Tipos de elementos para transmitir potencia………..
4.5.2.- Selección del tipo de transmisión………
4.5.3.- Funciones y parámetros de diseño……….
4.5.4.- Secuencia de diseño para la transmisión de potencia……….
4.2.3.-Selección del material para herramienta de doblado………...
4.3.- Propuesta para flechas de transmisión……….
3.4.5.1.- Ventajas de las cadenas………...………
3.4.5.2.- Ventajas de las correas………..…………...…
162 196 201 202 210 214 217 221 222 223 224 226 227 228
4.7.- Diseño de tornillos de potencia………
4.6.1.- Secuancia de diseño para la flecha………..
5.1.- Costos de producción………
5.2.- Depreciación...……….
4.8.1- Diseño de la tapa……….………..…..
4.8.2- Diseño de la porta bridas superior………...………..
4.8.3- Diseño de los postes……….………...………..
4.9.1- Diseño de postes para la mesa de trabajo……….………
BIBLIOGRAFÍAS……….
ANEXOS………
CAPITULO V: ANÁLISIS ECONÓMICO………..
CONCLUSIONES………..
4.9.- Diseño de la mesa de trabajo………..
4.8.- Diseño de soportes………..
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La información referente a los trenes de laminación, en la actualidad es demasiada limitada, por lo cual, nos enfocamos a desarrollar dicha información basándonos en el desarrollo del diseño de una manera sumamente sencilla de entender comprender y aplicar.
La necesidad de las industrias manufactureras, de aumentar su producción a un menor costo esta siempre presente en cualquier proyecto de diseño.
Por este motivo se realizará la siguiente propuesta de tren de laminación tratando de reducir al máximo la cantidad de material necesaria para su elaboración utilizando medidas estándar y así poder reducir los costos de material y manufactura del mismo.
Se comenzará el diseño definiendo el tipo de perfil que se va a producir para de ahí seguir con el diseño de los rodillos, ejes, selección de rodamientos, transmisión, diseño de soportes, selección de moto-reductor y diseño de la mesa de trabajo.
Con esto se pretende realizar una propuesta factible en cuanto a resistencia y funcionalidad.
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OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un método lógico dentro del proceso de diseño para un tren de laminación en frío, enfocándose en el análisis y síntesis del diseño mecánico, haciendo énfasis en que la metodología sea lo suficientemente clara y sencilla, con el fin de que cualquier persona que se encuentre en el área de ingeniería lo entienda, comprenda e interprete.
OBJETIVOS PARTICULARES
Generar información suficientemente detallada y sencilla, referente a un tren de laminación en frío para perfiles de lámina delgada.
Implementar un método simple en el proceso de diseño del tren de laminación, con bases analíticas que justifiquen dicho proceso.
Poner en práctica los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, como:
estática, dinámica, resistencia de materiales, proyecto mecánico, ciencia de los materiales, dibujo mecánico, etc. orientándolos al desarrollo de la máquina.
Demostrar la importancia de un tren de laminación en frío dentro de cualquier área de la industria (Transporte, aeronáutica, construcción, etc.)
Proponer el diseño de un tren de laminación en frío que optimice el proceso en la generación de perfiles de lámina delgada.
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JUSTIFICACIÓN
Un ingeniero mecánico es la persona encargada de aprovechar y trasformar la energía existente en la naturaleza (mecánica, eléctrica, hidráulica, térmica, eólica, etc.), en cualquier tipo de energía útil, con el fin de proporcionar un beneficio común o colectivo. Esta tarea esta ligada al desarrollo de diseños y prototipos de todo tipo de máquinas y sus componentes, los cuales, a través de sus elementos, realizan la conversión de energía mecánica a cualquier otro tipo de energía o viceversa, haciendo que de ellas, se obtenga un buen rendimiento y una buena eficiencia.
La temática que se presenta esta enfocada al diseño de un tren de laminación. La creciente industria del transporte y de construcción cada día demanda mayor producción en menor tiempo con menor costo, esta es la tendencia de toda industria hoy en día; de modo tal que nuestra tarea es satisfacer las necesidades del cliente.
Se espera obtener una maquina que cumpla con todos los requisitos del proceso de diseño, que sea segura, confiable, competitiva, eficiente y que satisfaga las necesidades del cliente apagándose a las normas y códigos vigentes de calidad.
En el proyecto se desarrollara una máquina relativamente sencilla que pretende explicar de una manera simple el proceso de producción de perfiles estructurales de lamina delgada, así como también, dar a conocer los servicios dentro de la industria, donde y como se utilizan.
El proyecto aportara a la comunidad estudiantil un procedimiento de cómo lograr conjugar los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera y enfocarlos para desarrollar un proyecto o un prototipo de manera confiable y segura. Teniendo en cuenta materias como: estática, dinámica, mecánica de materiales, ciencia de los materiales, procesos de manufactura, termodinámica, diseño, dibujo, eléctrica, etc.
Para la comunidad científica se brindaran investigaciones que profundicen, amplíen y mejoren la eficiencia y seguridad de la maquina, procurando que con ello existan modificaciones en los componentes de la maquina, en los materiales que la constituyen o en los diseños anteriores.
Con el apoyo del software Autodesk Mechanical Desktop 2008, se agilizara el proceso de diseño en base a las normas de dibujo vigentes, lo cual hace aun más atractivo el diseño para cualquier tipo de empresa.
Este trabajo tiene como meta a corto plazo, simular una producción del perfil estructural de pared delgada, así como también, presentar el diseño del tren de laminación concluido. A mediano plazo, la meta es realizar un prototipo físico a escala del tren de laminación que, de manera palpable, realice la producción del perfil estructural de pared delgada. Una vez logrado lo anterior, a largo plazo, el objetivo es introducirlo al mercado realizando una producción en masa.
CAPÍTULO I
ANTECEDENTES HISTORICOS
1.1.- Generalidades
1.1.1.-Caracteristicas de los procesos de formado de laminas metálicas
1.2.- Historia de la laminación
1.1.- Generalidades
La utilización de los productos fabricados con procesos de formado de laminas metálicas son usados comúnmente por cualquier tipo de persona; por ejemplo, en escritorios, archiveros, carrocerías de automóviles, fuselaje de aviones y las latas de las bebidas. El conformado de lamina data de 5000 a. C., cuando se fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata y cobre.
Fig. 1-1 Esquema de los procesos de formado de laminas metálicas.
Las piezas fabricadas por procesos de formado de laminas son mas ventajosos en comparación con un procesos de forjado o fundición por su poco peso y forma versátil.
Debido a su bajo costo y buenas características generales de resistencia y facilidad de conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma de lamina que se usa mas frecuentemente. Para aplicaciones de mayor precisión y exigencia de requerimientos como en aviones y naves espaciales, los materiales laminados normales son el aluminio y el titanio.
1.1.1.-Características de los procesos de formado de laminas metálicas
Formado por laminación
Es utilizado para formar piezas largas con perfiles transversales complicados; buen acabado superficial; grandes tazas de producción altos costos de las herramientas.
Formado por extensión
Para piezas grandes con contorno superficial; adecuado para pequeñas producciones;
altos costos de mano de obra; los costos de herramientas y equipo dependen del tamaño e la pieza.
Fig. 1-2 Esquema de un proceso de formado por extensión, pueden fabricar las cubiertas de los aviones
Embutido
En piezas superficiales o profundas con formas relativamente simples; grandes producciones; altos costos de herramientas y equipo.
Fig. 1-3 Proceso de embutido para una lata de aluminio Estampado
Incluye una diversidad de operaciones, como punzonado, recorte de piezas en blanco, realzado, doblado bridado y acuñado; formas simples o complicadas, con grandes producciones; los costos de herramientas y equipo pueden ser altos, pero los costos de mano de obra son bajos.
Fig. 1-4 Proceso de estampado Formado con hule
Embutido y realzado de formas simples o complicadas; la superficie de la lamina se protege con membranas de hule; flexibilidad de operación; bajos costos de herramientas.
Fig. 1-5 Formado de hule Rechazado
Utilizado en piezas grandes o pequeñas, con simetría axial (axisimetría); buen acabado superficial; bajos costos de herramienta, pero los costos de mano de obra pueden ser altos, a menos que se automaticen las operaciones.
Formado superplástico
Para formas complicadas, gran detalle y tolerancias estrechas; los tiempos de formación son largos y por ello la rapidez de producción es baja. Piezas no adecuadas para uso en alta temperatura.
Fig. 1-7 Estructuras fabricadas con liga por difusión y formado superplástico.
Repujado
Contornos superficiales en laminas grandes; flexibilidad de operación; los costos del equipo pueden ser altos; el proceso también se usa para enderezar piezas.
Formado por explosión
Utilizado en laminas muy grandes con formas relativamente complicadas, aunque por lo general axisimétricas; bajos costos de herramienta, pero altos costos de mano de obra;
adecuado para pequeñas producciones; grandes tiempos de ciclo.
Fig. 1-8 (a) Esquema del proceso de formado por explosión. (b) Ilustración del método confinado para abombar tubos con explosivo.
Formado por impulso magnético
Operaciones de formado superficial, abombado y realzado con laminas de resistencia relativamente baja; muy adecuado pera formas tubulares; grandes tazas de producción;
requiere herramientas especiales.
1.2.- Historia de la laminación
El formado por laminación (Roll Forming) es un proceso de movimiento progresivo para doblar tiras planas de metal en frío en varios pasos y al final obtener el perfil deseado.
Henry Court introdujo el formado del acero utilizando la tecnología del rolado en 1783. Su primer molino de laminación tenía rodillos acanalados para producir barras de acero más rápido y más económico que los antiguos métodos de martillado.
La mesa de trefilaje fue una de las precursoras de las maquinas de rolado actuales.
Originalmente, los tramos de metal eran jalados hacia un troquel el cual les daba la forma deseada. Tiempo después estos troqueles fueron reemplazados por rodillos los cuales deformaban el metal progresivamente. La primera generación de maquinas de formado por laminación modernas fueron construidas comercialmente a principios de 1921.
Inicialmente, estos fueron usados para darle forma a tramos que habían sido cortados de una hoja de metal. Posteriormente se utilizo un rollo de material y este llego a ser más popular y prontamente aprovechado en la década de los 30’s y los 40’s, el formado por rolado evoluciono en el proceso que conocemos hoy en día, un proceso con una alta producción continua con rodillos motrices los cuales hacen que el rollo de material fluya hacia los troqueles o conformadores.
Fig. 1-9 Mesa de trefilaje.
Armaduras para puertas y ventanas, tuberías para radiadores de automóviles, cortes decorativos y soportes para techo fueron algunos de los productos que se comenzaron a fabricar con el formado por laminación en la década de los 40’s. Con equipo mejorado, formidables avances en materia prima, y un mejor entendimiento de la tecnología del rolado hay ayudado a que este proceso sea usado para producir componentes para diversas aplicaciones, por ejemplo: equipo para la industria aero-espacial.
Tendencias Actuales
El diseño asistido por computadora es utilizado para generar lo que se conoce como diagramas de flor que es la representación de cómo debe fluir el material a través de los rodillos. Con estos dibujos a su vez se utilizan sistemas CAD/CAM para producir las herramientas de formado.
El Control Lógico Programable (PLC) y los Microprocesadores esta siendo utilizados para ayudar al control del proceso en las líneas de formado por laminación, con ayuda de sensores un solo control puede monitorear las condiciones en múltiples líneas de rolado.
Los avances en las técnicas de soldadura han aumentado la capacidad del formado por rolado las formas pueden ser abiertas o cerradas. Las formas cerradas son unidas mecánicamente en sus vértices y una soldadura de arco eléctrico cierra la unión.
Mejoras en el intercambio de las herramientas y los troqueles ha permitido procesar cortes de menor tamaño mas económica y rápidamente.
Fig. 1-10 Tren de laminación en frió para perfiles
CAPÍTULO II
PROCESOS DE LAMINACIÓN
2.1.- Tipos y procesos de laminación
2.2.- Trenes para laminación
2.1.- Tipos y procesos de laminación
El laminado es el proceso de reducir el espesor (o modificar la sección transversal) de una pieza larga mediante fuerzas de compresión aplicadas a través de un juego de rodillos; el proceso es similar al aplastado de la masa con un rodillo de amasara fin de reducir el espesor. La laminación, que representa aproximadamente el 90% de todos los metales producidos usando procesos de metalurgia, fue desarrollada por primera vez a finales del año 1500. La operación básica es el laminado plano o laminado simple, donde los productos laminados son la placa plana y la hoja.
Fig. 2-1 Esquema de varios procesos de laminado plano y de forma.
Laminado plano
En la figura 2.1a se muestra una ilustración esquemática del proceso de laminado plano.
Una tira de espesor ho entre el espacio de laminación donde un par de rodillos en rotación la reduce a un espesor hf, cada uno de los rodillos movido a través de su propia flecha por motores eléctricos. La velocidad superficial de los rodillos es Vr. La velocidad de la tira se incrementa de su valor de entrada Vo a través del espacio de laminación, de la misma manera que el fluido se ve obligado a moverse más rápido al pasar por un canal convergente.
Fig. 2-2 (a) Ilustración esquemática del proceso de laminado plano. (b) Fuerzas de fricción que actúan sobre las superficies de la tira. (c) La fuerza de laminado, F, y el par de torsión que actúa sobre los rodillos. El ancho w de la
tira por lo general aumenta durante el laminado.
La velocidad de la tira es máxima a la salida del espacio de laminación; la identificamos como Vf. Dado que la velocidad superficial del rodillo es constante, existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y la tira a lo largo del arco de contacto en el espacio de laminación, L.
En un punto a lo largo del tramo de contacto, conocido como el punto neutro o punto de no deslizamiento, la velocidad de la tira es la misma que en el rodillo. A la izquierda de este punto, el rodillo se mueve más rápido que la tira; a la derecha del mismo, la tira se mueve con mayor velocidad que el rodillo. Por tanto, las fuerzas de fricción que se oponen al movimiento actúan sobre la tira según se muestra en la figura 2.2b.
Molinos para laminación
Se construyen varios tipos de molinos y equipos para laminación; utilizan varios arreglos de rodillos. Aunque el equipo para el laminado en caliente y en frío es esencialmente el mismo, existen diferencias en el material de los rodillos, los parámetros del proceso, los lubricantes y los sistemas de enfriamiento.
Fig. 2-3 Ilustración esquemática de varias disposiciones de rodillos; (a) de dos rodillos, (b) de tres rodillos; (c) de
El diseño, construcción y operación de los molinos de laminación, requiere de inversiones de consideración: los molinos altamente automatizados producen placas y hojas de alta calidad y estrictas tolerancias en elevados volúmenes de producción y aun bajo costo por unidad de peso, particularmente cuando están integradas a la colada continua.
El ancho de los productos laminados puede tener un rango de hasta 5 m (200 pulg.) y un espesor de solo 0.0025 mm (0.0001 pulg.). Las velocidades de laminación van hasta 25 m/s (aproximadamente una milla por minuto) para el laminado en frío, o incluso más en instalaciones muy automatizadas y controladas por computadora.
Laminado de forma
Además de la laminación plana, se pueden producir varias formas mediante el laminado de forma. Pasando la materia prima a través de un juego de rodillos especialmente diseñados (figura 2.4), se laminan formas estructurales rectas y largas, como barra solida (de varias secciones transversales), canales, vigas en I y rieles de ferrocarril. Dado que la sección transversal del material se va a reducir de una manera no uniforme, el diseño de una serie de rodillos (diseño de pasos de rodillos) requiere de considerable experiencia, a fin de evitar defectos externos e internos, mantener las tolerancias dimensionales y reducir el desgaste de los rodillos.
Fig. 2-4 Esquema de un proceso de laminado de forma.
Laminado en anillo
En el proceso de laminado en anillo, un anillo grueso se expande a un anillo de gran diámetro con una sección transversal reducida. El anillo se coloca entre los dos rodillos, uno de los cuales es impulsado (figura 2.5a), y su espesor se va reduciendo al ir acercando los rodillos uno al otro conforme giran. Dado que el volumen del anillo se conserva constante durante la deformación, la reducción en espesor se compensa con un incremento en el diámetro del anillo.
Fig. 2-5 (a) Ilustración esquemática de una operación de laminado de anillo. La reducción en espesor da como resultado un incremento en el diámetro de la pieza. (b) ejemplos de secciones transversales que se pueden
formar mediante el laminado de anillo.
El proceso de laminado en anillo se puede efectuar a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas, dependiendo del tamaño, la resistencia y ductilidad del material de la pieza de trabajo. En comparación con otros procesos de manufactura capaces de fabricar la misma pieza, las ventajas de este proceso son un corto tiempo de producción, ahorros en material, estrictas tolerancias dimensionales y un flujo favorable del grano en el producto.
Laminado de roscas
El proceso de laminado de roscas es un proceso de formado en frio en el cual se forman roscas rectas o cónicas en varillas redondas, al pasar estas entre dados para dar forma.
Las roscas se forman sobre la varilla o sobre el alambre en cada carrera de un par de dados planos reciprocantes (figura 2.6a). Los productos típicos son los tornillos, los pernos y piezas similares roscadas. Dependiendo del diseño del dado, el diámetro principal de una rosca laminada puede ser o no ser mayor que una rosca maquinada (figura 2.6a), esto es,
la misma que el diámetro de la varilla en bruto. En cualquier caso, se mantiene el volumen constante, ya que no hay remoción de material.
Fig. 2-6 Procesos de laminados de roscas; (a) y (c) dados planos reciprocantes
El proceso es capaz de generar formas similares, como ranuras y varias formas de engrane, en otras superficies sin perdida de material, y se pueden utilizar en la producción de casi todos los sujetadores roscados a elevadas tasas de producción, con un muy buen acabado superficial y el proceso induce sobre la superficie de la pieza esfuerzos residuales a la compresión, mejorando por tanto la vida bajo condiciones de fatiga.
Perforado rotativo de tubos
Es un proceso de trabajo en caliente para la manufactura de tubos y tuberías largas, sin costura de pared gruesa (figura 2.7). Se basa en el principio que cuando se somete una barra redonda a fuerzas radiales a la compresión, se desarrollan esfuerzos a la tensión en el centro de la misma. Cuando posteriormente esta barra se someta a esfuerzos cíclicos a la compresión (figura 2.7b), se empieza a formar una cavidad en el centro de la barra.
Este fenómeno puede ser demostrado utilizando un tramo pedacito de goma de borrar redonda, haciéndola rodar hacia adelante y hacia atrás sobre una superficie dura, como se ilustra en la figura 2.7b.
Fig. 2-7 Formación de la cavidad en una barra redonda solida y su uso en el proceso de perforación rotativa de tubos para la fabricación de tubo y tubería sin costura (La laminación Manneseman se desarrolló en los años
1880).
Laminadoras o molinos integrados
Se trata de grandes instalaciones que involucran las actividades totales desde la producción del metal caliente en un alto horno (figura 2.8) al vaciado y laminado de productos terminados listos para su embarque al cliente.
Fig. 2-8 Esquema de una mini laminadora.
Minilaminadoras
En una mini laminadora, se funde el material de desperdicio o chatarra en hornos de arco eléctrico, se hacen coladas continuas y se laminan directamente en líneas específicas de productos. Cada mini laminadora produce esencialmente un tipo de producto laminado (varilla, barra o secciones estructurales como ángulo) a partir de básicamente un tipo de metal o aleación. La chatarra, que se obtiene localmente a fin de reducir costos de
transporte, esta por lo general formada por maquinaria, automóviles y equipo agrícola viejos.
Las mini laminadoras tienen las ventajas económicas de operaciones óptimas de baja inversión para cada tipo de metal y línea de productos, así como bajos costos de mano de obra y de energía. Los productos están por lo general orientados a los mercados del área geográfica de la laminadora. Por ejemplo, una mini laminadora del norte de Estados Unidos, suministra el 95% de la varilla de acero domestico (para concreto reforzado) que se utiliza en esa región
2.2.- Trenes para formado por laminación
Existen varios tipos de trenes para laminación los cuales son utilizados para diferentes necesidades:
Dedicados
Tienen las siguientes características:
a) Pasos con transmisión de engranes en la parte superior e inferior b) La distancia entra centros de los ejes no cambia.
c) Reductores de velocidad del tipo gusano utilizados en la transmisión inferior.
d) Pasos removibles.
e) Bastidor para trabajo pesado.
Aplicaciones: Este tipo de trenes para laminación son construidos para productos específicos.
Fig. 2-9 Esquema de un tren de laminación dedicado.
Con caja reductora de velocidad constante
Características:
a) Acoplado con reductor de velocidad constante para todos los pasos.
b) Pasos removibles.
c) Bastidor para trabajo pesado
Aplicaciones: Construidos a la medida (pueden ser usados para productos con el mismo diámetro de rodillos). Es un poco mas barato que un tren dedicado. Los dientes de los engranes de la transmisión están endurecidos. Son convenientes para montajes de rodillos con pasos angulados.
Fig. 2-10 Esquema de un tren de laminación con caja reductora de velocidad constante.
En cantiliver
Características:
a) Acoplado con reductor de velocidad constante para todos los pasos.
b) La longitud de los ejes en cantiliver varía entre 5 y 6 pulgadas.
c) Fácil cambio de la herramienta, mantenimiento y alineación.
d) Bastidor rígido para trabajo pesado.
Aplicaciones: Cuando se requiere cambiar la herramienta constantemente, el alineado y el armado son fáciles y rápidos.
Fig. 2-11 Esquema de un tren de laminación en cantiliver.
De sección
Características:
a) Los pasos se pueden desconectar de la transmisión de manera rápida.
b) Diseño de los pasos estándar.
c) Transmisión reductora de velocidad continua de tipo gusano.
d) Base rígida para trabajo pesado con pernos para las secciones de montaje. El bastidor esta construido para acomodar varios números de secciones las cuales dependen del los pasos que requiera el perfil para su formado.
e) La sección de una placa consiste en 4 pasos.
Aplicaciones: Los trenes de laminación de sección son desarrollados para ahorrar tiempo y dinero en el cambio de herramientas, el armado, la alineación, etc. Las herramientas para un determinado perfil son alineadas y armadas en un grupo de secciones (2, 3, 4 secciones). Con los acoplamientos rápidos las secciones de un perfil son cambiadas fácilmente.
Fig. 2-12 Esquema de un tren de laminación de sección.
De Engranes en el cabezal
Características:
a) Posibilidad para acomodar diferentes tamaños de herramientas (diámetros) y distancias entre centros.
b) Sobre los soportes engranan un reductor de velocidad por medio de acoplamientos.
c) Reductores de velocidad de tipo gusano proporcionan la potencia.
d) Soportes externos en la configuración estándar.
Aplicaciones:
Diseñados y construidos sobre todo como un molino de formado por laminación con capacidad para formar diferentes perfiles cuando los diámetros de la herramientas son variables.
Fig. 2-13 Esquema de un tren de laminación de engranes en el cabezal.
Dúplex
a. Molino de laminación dúplex con ejes en cantiliver.
Cabezales ajustables hacia la línea centros
Fig. 2-14 Esquema de un tren de laminación dúplex.
Aplicación: Cuando ambos lados del perfil son simétricos incluyendo cualquier perforación hacia la línea de centros. La línea de centros del molino de laminación es un dato conocido. La cercanía o el alejamiento de los cabezales acomodan el perfil con distintos espesores. Utilizados con láminas continuas.
Un cabezal estacionario y el otro con eje transmisor de potencia.
Aplicación: Cuando se usa la tecnología del pre cortado del metal. La alineación de las hojas se realiza con respecto al cabezal estacionario. La línea de centros la proporciona la alineación del eje del cabezal estacionario. El acercamiento o el alejamiento de los cabezales dependen de la longitud del perfil a realizar el cual puede ser mayor a 48 pulgadas. Aplicados a la creación de marcos para puertas.
b. Molino de laminación Dúplex con ejes deslizantes
Un cabezal se encuentra estacionario y el otro cabezal es ajustable con el eje transmisor de potencia deslizante.
Fig. 2-15 Esquema de un tren de laminación dúplex de ejes deslizantes.
Aplicaciones: Se usan los molinos de laminación dúplex con ejes deslizantes superiores e inferiores los cuales son aplicables cuando los ejes en cantiliver sobrepasan los límites de deflexión aceptados. En este tipo de diseño la rigidez del eje permite soportar cualquier ancho de perfil sin causar deflexión en el eje cuando la línea de doblado del perfil esta muy alejada de los rodamientos.
Doble Dúplex
Un molino de laminación doble dúplex consta de dos ejes dúplex en cantiliver, los cabezales de transmisión son ajustables hacia la línea de centros.
Aplicaciones: Línea de formado para refuerzos estructurales. Requerimientos de los refuerzos: borde ½ pulgada, pierna de 1.5 a 4 pulgadas y alma de 4 a 12 pulgadas. El primer molino dúplex forma el borde del refuerzo. El segundo dúplex forma la pierna.
Comúnmente utilizados para perfiles estructurales y bandejas para cableado.
Fig. 2-16 Esquema de un tren de laminación doble dúplex.
Tren de laminación de doble cubierta
Dos trenes de laminación son acomodados en una base en común elevados a diferentes alturas.
Características:
a) Base en común.
b) Transmisión en común.
c) Alturas diferentes de las líneas de paso.
Aplicaciones: Dos perfiles similares son formados simultáneamente, por ejemplo lamina corrugada.
Tren de laminación ultra delgado
Características:
a) Los ejes van de los 5/8 a los ¾.
b) La altura entre centros de los ejes se puede ajustar finamente.
c) Transmisión de engranes continua.
Fig. 2-17 Esquema de un tren de laminación ultra delgado.
Los trenes de laminación arriba mencionados son los tipos más generales, pero hay otros tipos de trenes para laminación en el mercado diseñados para distintos tipos de proceso.
CAPÍTULO III
ELEMENTOS DE LA MÁQUINA
3.1.- Herramientas de doblado 3.1.1.- Definiciones
3.1.2.- Tipos de cilindros para doblado 3.2.- Ejes y flechas
3.2.1.- Definiciones y aplicaciones 3.2.2.- Diseño de flechas
3.2.3.- Deducción de la ecuación del código ASME 3.3.- Cojinetes
3.3.1.- Definiciones y aplicaciones 3.3.2.- Tipos de cojinetes
3.3.3.- Secuencia de diseño para cojinetes 3.3.4.- Consideraciones para colocar cojinetes 3.4.- Transmisiones de potencia
3.4.1.- Bandas 3.4.2.- Engranes 3.4.3.- Cadenas
3.4.4.- Comparación entre transmisiones de cadena y engranes
3.4.5.- Comparación entre transmisiones de cadena y bandas
3.5.- Elementos de sujeción 3.5.1.- Pernos y tornillos 3.5.2.- Soldadura
3.6.- Análisis estructural
3.1.- Herramientas de doblado
Las herramientas de doblado, en los trenes de laminación, son uno de los elementos principales en el diseño de estos. En este tema y a lo largo de todo este capitulo, se visualizaran los principales elementos que componen a un tren de laminación.
3.1.1.- Definiciones
El doblado es una de las operaciones más comunes de formado. El doblado no solo se usa para formar bridas, uniones y corrugados, sino también para impartir rigidez a la pieza, aumentando su momento de inercia.
En la figura 3-1 se presenta la terminología para el doblado. En el doblado, las fibras externas del material se encuentran en tensión, mientras que las interiores están en compresión. A causa de la relación de Possion, el ancho de la pieza (longitud de doblado L) en la región externa es menor, y en la interna es mayor, que el ancho original.
Fig. 3-1 Terminología para el doblado
Como se ve en la figura 3-1, la holgura o tolerancia en el doblado es la longitud del eje neutro en el doblez, y se usa para determinar la longitud de la pieza bruta con que se fabrica una pieza doblada. La posición del eje neutro depende del radio y del ángulo de doblez. Una ecuación aproximada de la holgura de doblado, Lb, es la numero 1.
𝐿𝑏= 𝛼 𝑅 + 𝑘𝑡 − − − 1
Donde
α = Ángulo de doblez [rad]
R = Radio de doblez t = Espesor de la lámina
k = Constante de proporcionalidad
Para el caso ideal, el eje neutro se encuentra en el centro del espesor de lámina; k = 0.5, pero en la practica los valores suelen ser de 0.33 cuando R<2t y de 0.5 cuando R>2t.
3.1.2.- Tipos de cilindros para doblado
La parte media del cilindro o rodillo, la cual esta en contacto con el metal laminado, se denomina la “tabla”. En ambos extremos de la tabla se encuentran los cuellos, que se apoyan en los cojinetes. Las partes externas del cilindro para conectar en ellas un acoplamiento a una alargadera, tienen la forma de trébol, o son planas o cilíndricas (ver figura 3-2).
Fig. 3-2 Esquema de un cilindro de laminación
Las tablas de los cilindros para laminar productos planos son cilíndricas o con una ligera convexidad con objeto de compensar la flexión durante la laminación.
Para la laminación de perfiles las tablas se fabrican con canales como se muestra en la figura 3-3.
Fig. 3-3 Cilindros con canales
Una de las propiedades principales de un cilindro es la dureza de la superficie de trabajo del mismo. A continuación se presentan los tipos en base a su dureza.
Cilindros blandos
Su dureza esta entre 150 a 250 Brinell, se emplean en laminadores primarios, en cajas desbastadoras de laminadores de perfiles grandes y laminadores intermedios y laminadores de punzonar.
Los materiales característicos de este tipo de cilindros con los cuales se fabrican son fundición, acero al carbono forjado y con cargas pequeñas, fundición gris.
Cilindros semiduros
Su dureza se encuentra entre 250 a 400 Brinell, se emplean en cajas desbastadoras de laminadores de carriles y perfiles, en laminadores de perfiles de todas clases y laminadores de productos planos, en las cajas acabadoras de laminadores de perfiles grandes e intermedios.
Los materiales empleados para su fabricación son de fundición semiendurecida, acero moldeado y acero forjado.
Cilindros duros
El rango de dureza se encuentra entre 400 y 600 Brinell, se usan en cajas acabadoras de laminadores de bandas, chapa fina, carriles y perfiles, perfiles grandes, medianos y ligeros, así como también en cajas cuarto para los cilindros de apoyo.
Los materiales son el hierro fundido en coquilla, acero especial y cilindros fabricados con aleaciones de gran dureza.
Cilindros extraduros
Las durezas están entre los límites de 600 a 800 Brinell, se emplean en trenes de laminación en frío.
El material con que regularmente se fabrican es de acero al cromo forjado, y en cilindros pequeños carburo de tungsteno y otras aleaciones con durezas mayores que 100 Shore.
3.2.- Ejes y flechas
Dentro de los elementos para transmitir potencia las flechas o arboles, son un elemento primordial, los ejes y las flechas las encontramos en la mayoría de las máquinas por ser de gran utilidad en el funcionamiento de alguna máquina en específico.
Este elemento, en particular, lo podemos encontrar desde los electrodomésticos, hasta grandes maquinarias en la industria.
3.2.1.- Definiciones y aplicaciones
Primero es necesario entender los conceptos claves para poder definir el funcionamiento de cualquier elemento de máquina, en este punto nos enfocaremos a definir entre un eje y una flecha.
Eje
Un eje, hablando mecánicamente, es un elemento que sirve como soporte para elementos rotatorios, sin que estos transmitan un momento torsor para generar potencia;
es decir, no transmiten potencia, solo movimiento rotatorio.
Flecha o árbol
Una flecha, hablando mecánicamente, es un elemento giratorio, que a diferencia de un eje, transmite o recibe potencia de los elementos montados sobre el.
Existen diversas aplicaciones tanto para los ejes como para flechas, entre las cuales están bombas centrifugas, ventiladores, transmiciones para automóviles, turbomaquinaria térmica e hidráulica etc.
3.2.2.- Diseño de flechas
El diseño es una de las herramientas más empleadas en ingeniería mecánica para describir, de manera clara, cualquier tipo de elemento que compone a una máquina. Es una tarea que engloba una serie de pasos o sucesos que se deben de desarrollar para poder evaluar y tomar decisiones, esto implica que el ingeniero tenga una amplia gama de capacidades y conocimientos como son:
Dibujo técnico
Propiedades de los materiales
Manufactura de los materiales
Estática, Dinámica, resistencia de los materiales y mecanismos
Facilidad de palabra y redacción técnica
Mecánica de fluidos, Termodinámica y transferencia de calor
Maquinas térmicas, maquinas hidráulicas, maquinas eléctricas
Creatividad y solución de problemas.
El proceso de diseño lo podemos generalizar de una forma simple como se presenta en la figura 3-4.
Fig. 3-4 Secuencia del proceso de diseño
Una vez que se tiene la idea generalizada de cómo se lleva a cabo el proceso de diseño, el la secuencia para diseñar una flecha es el que a continuación se presenta.
1. Determinar que elementos soportará la flecha, su diseño a si como también su posicionamiento a lo largo de la flecha. Los elementos pueden ser: engranes, catarinas, poleas, cojinetes etc.
2. Determinar la velocidad de giro de la flecha.
3. Determinar la potencia o el par torsional el cual debe transmitir la flecha.
4. Proponer la forma general de los detalles geométricos para la flecha, esto incluye la forma de posición axial en que se mantendrá cada elemento montado sobre la flecha, y la forma en la cual se transmitan las fuerzas y por ende, la potencia en cada elemento.
5. Plantear el problema de forma clara, delimitada y con los datos necesarios para su análisis, esto incluye el flujo de potencia a lo largo de la flecha, el lugar de colocar los elementos.
6. Determinar la magnitud del par tosional que se desarrollará en cada punto de la flecha, basado en el flujo de potencia.
DEFINIR ESPECIFICACION
ES
• Identificar los requisistos del cliete.
• Definir las funciones del dispositivo.
• Indicar los requisistos del diseño.
• Definir los criterios de evaluación.
CREAR LOS CONCEPTOS
DE DISEÑO
• Proponer varios conceptos de diseño alternativo.
• Evaluar cada alternativa propuesta.
• Validar cada alternativa de acuerdo con cada criterio
de evaluación.
TOMA DE
DECISIONES • Seleccionar el concepto de diseño óptimo.
DISEÑO DETALLADO
• Contemplar el diseño a detalle del concepto
seleccionado.
DISEÑO
7. Análisis de las fuerzas que actúan en la flecha, tanto en dirección radial, axial y tangencial.
8. Descomposición de fuerzas en un plano rectangular, es decir verticales y horizontales.
9. Calculo de las reacciones en cada plano, sea X-Y o X-Z.
10. General diagramas y ecuaciones en función longitudinal de fuerza cortante y momento flexionante para cada plano en donde se encuentren las fuerzas.
11. Selección del material de la flecha, especificando su condición (tipo de tratamiento térmico), se recomienda una buena ductilidad y un porcentaje de elongación mayor al 12 %. Con base en esto, se determinan las propiedades mecánicas, como resistencia última, resistencia a la fluencia, numero de dureza Brinell.
12. Determinar el esfuerzo de diseño adecuado, teniendo en cuenta la forma de aplicar la carga.
13. Evaluar y determinar los puntos críticos donde podría presentarse la falla de la flecha, tomando como base la ecuación bajo el código ASME.
14. Normalizar las dimensiones de la flecha, teniendo como base estándares ya establecidos comercialmente.
15. Realizar análisis de deflexión por flexión y deflexión por torsión, si se encuentra dentro de los criterios establecidos, el diseño es satisfactorio y cumplirá la función a la que esta siendo solicitado.
3.2.3.- Deducción de la ecuación del código ASME
La ecuación del código ASME es una de las ecuaciones establecidas en la norma ANSI B 106.IM 1985, para el diseño de ejes y flechas. Esta ecuación esta basada en que el esfuerzo cortante por flexión en la flecha o eje, es repetido e invertido y que el esfuerzo cortante ocasionado por la torsión es casi uniforme.
En la figura 3-5 se presenta el diagrama que explica el párrafo anterior, en esta figura se presenta una grafica, en donde el je vertical es la relación del esfuerzo flexionante invertido, entre la resistencia a la fatiga del material, por otro lado, el eje horizontal presenta la relación del esfuerzo cortante torsional entre la resistencia a la cedencia por cortante del material. Los puntos marcados con el valor de uno, indican la falla inminente en flexión como en torsión pura.
Fig. 3.5 Diagrama base para el diseño de flechas y ejes
Dentro de la figura 3-2, se puede observar que la curva que se describe forma una parábola, por lo cual, la ecuación (2), nos indica la forma de evaluarla.
𝜍 𝑆´𝑛
2+ 𝜏 𝑆𝑦𝑠
2
= 1 − − − (2)
Donde
σ = Esfuerzo flexionante
S´n = Resistencia a la fatiga del material bajo condiciones reales τ = Esfuerzo cortante por torsión
SYs = Resistencia a la cedencia por cortante
Para que la ecuación (2) quede en parámetros de diseño, se le agrega el factor de seguridad “N” a ambos términos del lado izquierdo, además en el primer término del lado izquierdo agregaremos un factor de concentración de esfuerzos “kt”, esto da como resultado la ecuación (3).
𝑘𝑡∙ 𝑁 ∙ 𝜍 𝑆´𝑛
2
+ 𝑁 ∙ 𝜏 𝑆𝑦𝑠
2
= 1 − − − (3)
Partiendo de la ecuación (3), solo se sustituyen las variables correspondientes para llegar a una ecuación generalizada.
Zona Segura
Zona de Falla
Zona Segura
Zona de Falla
El esfuerzo a la flexión esta dado por la ecuación (4)
𝜍 =𝑀 ∙ 𝑐
𝐼 − − − (4) Donde
M = Momento flexionante
c = Fibra más alejada de la sección partiendo del eje neutro I = Momento de inercia de la sección
Sabemos que para una sección transversal circular y sólida, la variable “c” y la variable
“I”, están dadas por las ecuaciones 5 y 6 respectivamente.
𝑐 =𝐷
2− − − (5)
𝐼 =𝜋 ∙ 𝐷4
64 − − − (6)
Sustituyendo en la ecuación (4) las ecuaciones (5) y (6), formamos una nueva ecuación (7).
𝜍 =32 ∙ 𝑀
𝜋 ∙ 𝐷3− − − (7)
El esfuerzo cortante por torsión, esta dado por la ecuación (8), representada de la siguiente forma.
𝜏 =𝑇 ∙ 𝜌
𝐽 − − − (8) Donde
T = Momento torsionante ρ = Radio
J = Momento polar de inercia
Tanto la variable a “ρ” como la variable “J” se pueden evaluar con las ecuaciones (9) y (10) respectivamente, para una sección transversal circular y sólida, a continuación se presentan dichas ecuaciones.
𝜌 =𝐷
2− − − (9)
𝐽 =𝜋 ∙ 𝐷4
32 − − − (10)
Sustituyendo en la ecuación (8) las ecuaciones (9) y (10), formamos una nueva ecuación (11).
𝜏 =16 ∙ 𝑇
𝜋 ∙ 𝐷3− − − (11)
Para evaluar la resistencia a la cedencia en cortante emplearemos la ecuación (12).
𝑆𝑦𝑠= 𝑆𝑦
3− − − (12)
Ahora, tomando como base las ecuaciones (7), (11) y (12), y sustituyéndolas en la ecuación (3), encontraremos la ecuación (13).
32 ∙ 𝑘𝑡∙ 𝑁 ∙ 𝑀 𝜋 ∙ 𝐷3∙ 𝑆´𝑛
2
+ 16 ∙ 3 ∙ 𝑁 ∙ 𝑇 𝜋 ∙ 𝐷3∙ 𝑆𝑦
2
= 1 − − − (13)
Evaluando y simplificando los términos del lado izquierdo de la ecuación (13).
32 ∙ 𝑁 𝜋 ∙ 𝐷3
2
𝑘𝑡∙ 𝑀 𝑆´𝑛
2
+ 3 2
2 𝑇
𝑆𝑦 2
= 1
Sacando raíz cuadrada para ambos lados de la ecuación, encontraremos la ecuación (14) que da pauta a la ecuación bajo código ASME.
32 ∙ 𝑁
𝜋 ∙ 𝐷3 𝑘𝑡∙ 𝑀 𝑆´𝑛
2
+3 4
𝑇 𝑆𝑦
2 1 2
= 1 − − − (14)
Despejando el diámetro “D”, encontraremos la ecuación bajo código ASME, ecuación (15).
𝐷 = 32 ∙ 𝑁
𝜋 𝑘𝑡∙ 𝑀 𝑆´𝑛
2
+3 4
𝑇 𝑆𝑦
2 1 2
13
− − − (15)
3.3.- Cojinetes
Los cojinetes son un tipo de elementos básicos en cualquier maquina, generalmente este tipo de elementos solo se selecciona de los catálogos de fabricantes, puesto que el diseño, como ya se menciono, es una tarea que implica mucho trabajo. Es por ello que solo se presentara en este apartado, la secuencia para selección de cojinetes, tomando como base algunos parámetros de diseño que los fabricantes emplean.
La función principal de este tipo de elementos es reducir la fricción entre dos superficies en contacto, y por ende, el incremento de temperatura entre dichas superficies.
La disposición de los cojinetes no solo se compone de un número determinado de cojinetes, sino que también incluye los componentes asociados con ellos, entre ellos, los ejes o flechas y los soportes.
El diseño de una disposición de cojinetes exige la selección de un tipo adecuado de cojinete y la determinación de su tamaño adecuado, también es importante considerar el tipo y cantidad de lubricante, ajuste y juego interno del rodamiento. Cada decisión individual influye en el rendimiento, la fiabilidad y la economía de la disposición de los rodamientos.
3.3.1.- Definiciones y nomenclatura
Existen tres formas de poder identificar este tipo de elemento, que a continuación se definen para su mejor comprensión dentro de ingeniería.
Cojinete
Elemento de una máquina en el que se apoya una flecha o un eje.
Chumacera
Pieza de metal o madera, con una muesca en que descansa y gira cualquier eje de máquina.
Rodamiento
Cojinete formado por dos cilindros concéntricos, entre los que se intercala una corona de bolas o de rodillos que pueden girar libremente.
Nomenclatura
Es importante saber el nombre de los elementos que componen a un cojinete, en este caso tomaremos al cojinete en si como el sistema y el conjunto que lo componen serán los elementos, de esta forma, se presenta en la figura 3-6 las partes que componen a un cojinete.
Fig. 3-6 Partes y disposiciones de los cojinetes Donde
1. Rodamiento de rodillos cilíndricos 2. Rodamiento de bolas con cuatro
puntos de contacto 3. Soporte
4. Eje o flecha
5. Tope, escalón o resalte de flecha o eje
6. Diámetro de flecha o eje
7. Placa de fijación
8. Obturación radial del eje o flecha 9. Anillo distanciador
10. Diámetro del agujero del soporte 11. Agujero del soporte
12. Tapa del soporte 13. Anillo elástico
Para dar una explicación mas concreta, en la figura 3-7, se presentan las partes o nomenclatura básicas de un cojinete.
Fig. 3-7 Nomenclatura de los cojinetes PISTA EXTERIOR
PISTA INTERIOR
RETEN O JAULA
ELEMENTO RODANTE
3.3.2.- Tipos de cojinetes
Los cojinetes pueden clasificarse como se muestras en la figura 3-8, la cual muestra los tipos de cojinetes.
Fig. 3-8 Clasificación de los cojinetes
En nuestro caso, solo nos enfocaremos a los cojinetes de contacto de rodadura, a continuación se presentara una explicación de cada uno de estos tipos de cojinetes, pero primero identificaremos las partes de los cojinetes radiales y axiales en las figuras 3-9 y 3-10, respectivamente.
Fig. 3-9 Cojinetes de contacto de rodadura radiales
De la figura 3.9 tenemos que:
1. Aro interior
2. Aro exterior 3. Elemento rodante
4. Jaula COJINETES
Contacto de Rodadura
Axiales
Bolas Rodillos
Radiales
Bolas Rodillos
Superficie Plana
Lubricación Lubricación
hidrodinámica Hidrostáticos
5. Carcasa
6. Diámetro exterior del aro exterior 7. Agujero del aro interior
8. Diámetro del reborde del aro interior
9. Diámetro del reborde del aro exterior
10. Ranura para anillo elástico 11. Anillo elástico
12. Cara lateral del aro exterior 13. Ranura de anclaje para la
obturación
14. Camino de rodadura del aro exterior
15. Canino de rodadura del aro interior
16. Ranura de obturación 17. Cara lateral del aro interior 18. Chaflán
19. Diámetro medio del rodamiento 20. Anchura total del rodamiento 21. Pestaña guía
22. Pestaña de retención 23. Ángulo de contacto
Fig. 3-10 Cojinetes de contacto de rodadura axiales
De la figura 3-10 tenemos lo siguiente.
1. Arandela de eje
2. Conjunto de elementos rodantes y jaula 3. Arandela de alojamiento
4. Arandela de alojamiento con superficie de asiento esférica 5. Arandela de apoyo del asiento
Rodamientos de una hilera de bolas y ranura profunda
A veces se llama rodamiento “canrad” (ver figura 3-11), la pista interior entra en el eje casi siempre con presión en el asiento del rodamiento, con un ajuste de interferencia pequeña, con el fin de asegurar que gire con el eje. Los elementos rodantes, ruedan con una ranura profunda, tanto en la pista interior como en la pista exterior. Se mantienen las
1 2 3
4
1
5
1
2
3
distancias entre las bolas con los retenes o jaulas. Este tipo de rodamientos esta diseñado especialmente para carga radiales, pero, la profundidad en la ranura, permite soportar cargas de empuje o axiales de una manera considerable.
Fig. 3-11 Rodamiento de una hilera de bolas y ranura profunda Rodamiento con doble hilera de bolas y ranura profunda
Tiene las mismas características que el rodamiento de una sola hilera, solo que en este tipo de rodamientos, al aumentarle una hilera más (ver figura 3-12), ocasiona que exista una mayor capacidad de carga radial debida al aumento de elementos rodantes. De esta manera, se pueden soportar cargas de mayor capacidad en el mismo espacio, o determinada carga puede ser soportada en un espacio menor. El aumento en lo ancho de este tipo de cojinetes suele afectar la capacidad de des alineamiento.
Fig. 3-12 Rodamiento con doble hilera de bolas y ranura profunda Rodamiento de bolas con contacto angular
Un lado de cada pista, en un rodamiento de contacto angular, es más alto, para permitir la adaptación a mayores cargas de empuje en comparación con los rodamientos normales con una hilera de bolas y ranura profunda, los rodamientos suelen tener ángulos de 15° a 40°, en la figura 3-13, se presenta un ejemplo de este tipo de rodamiento.
Fig. 3-13 Rodamiento de bolas de contacto angular Rodamiento de rodillos cilíndrico
Este tipo de rodamientos obedece al mismo diseño que los rodamientos de bolas, solo que en este caso en vez de tener elementos rodantes esféricos, se tienen elementos rodantes cilíndricos (ver figura 3-14), este tipo en particular, ofrece una mayor capacidad de carga radial. El patrón de contacto entre un rodillo y su pista, es teóricamente, de forma rectangular a medida que los miembros se deforman bajo la carga. Los valores resultantes de esfuerzo de contacto son menores que en los rodamientos de bola del mismo tamaño, lo cual permite que los rodamientos más pequeños puedan soportar determinada carga o que un rodamiento de determinado tamaño soporte una carga mayor. La capacidad de carga axial es mala, no se recomienda en aplicaciones donde existan cargas axiales, además, ya que los rodillos tienen anchos grandes, como consecuencia tienen poca capacidad de adaptarse a los realineamientos angulares.
Fig. 3-14 Rodamiento de rodillos cilíndricos Rodamientos de agujas
Este tipo de rodamientos, son en realidad rodamientos de rodillos, pero con un diámetro menor. Requieren un espacio radial menor, lo cual, facilita la adaptación en cualquier equipo o componente, pero, al igual que los rodamientos a rodillos, siguen el mismo patrón de características en las capacidades de carga (ver figura 3-15).
Fig. 3-15 Rodamientos de agujas Rodamientos de rodillos esféricos
El rodamiento de rodillos esféricos es una forma de cojinete auto alienable (ver figura 3- 16), llamado así porque existe una rotación real de la pista exterior en relación con los rodillos y con la pista interior, cuando existen des alineamientos angulares, esto causa una excelente calificación de capacidad de des alineamiento, y al mismo tiempo se conservan, en forma virtual, las mismas calificaciones por la capacidad de carga radial.
Fig.3-16 Rodamientos de rodillos esféricos Rodamientos de rodillos cónicos
Este tipo de rodamientos están diseñados para tomar cargas apreciables axiales y también cargas radiales. Frecuentemente son usados en vehículos, equipos móviles y en maquinaria pesada, en la figura 3-17 se presenta un ejemplo de estos rodamientos.
Fig. 3-17 Rodamientos de rodillos cónicos Cojinetes axiales
Al igual que los cojinetes del tipo radial, los cojinetes de tipo axial también tienen diversos elementos rodantes, como bolas y rodillos, la única diferencia es que este tipo de cojinetes son de uso exclusivo para cargas axiales o de empuje. La gran mayoría de este tipo de rodamientos pueden soportar poca o ningún tipo de carga radial, por lo cual su diseño y selección se basa en las cargas de empuje y de la duración de diseño, en la figura 3-18, se presentan algunos ejemplos de este tipo de cojinetes.
Fig. 3-18 Cojinetes axiales a) bolas, b) rodillos cónicos; c) rodillos; d) agujas.
3.3.3.- Secuencia de selección para cojinetes
a) Calcular la carga de diseño “Pd” en el cojinete, también conocida como carga equivalente. Esta carga se calcula con la ecuación (16)
𝑃𝑑 = 𝑉 ∙ 𝑋 ∙ 𝑅 + 𝑌 ∙ 𝑇 − − − 16 Donde:
Pd= Carga de diseño [Lb]
V= Factor por rotación X= Factor radial Y= Factor de empuje
T= Carga de empuje aplicada [Lb]
R= Carga radial aplicada [Lb]
a) b) c)
d)
b) Selección tentativa del tipo de cojinete en base a la figura 3-19.
Fig. 3-19Guia para la selección de los cojinetes de bolas o de rodillos
c) Seleccionar el tipo de soporte y verificar la compatibilidad con los cojinetes seleccionados.
d) Obtener la duración de diseño “Ld” en horas con base a la ecuación (17).
𝐿𝑑 = 𝐿∙ 𝑛 ∙ 60 − − − (17) Donde
Ld= Duración de diseño [mdr]
Lh= Duración nominal de diseño [hr]
n = Velocidad angular [rpm]
e) Calcular la capacidad requerida “Cr” (ecuación No. 18) y comparar con la capacidad real “C”, la del fabricante.
𝐶𝑟 = 𝑃𝑑
𝐿𝑑 𝐿10
1𝑘
− − − (18)
Donde
L10= Duración nominal (1mdr)
Cr= Capacidad de carga dinámica requerida [N]
Pd= Carga de diseño [N]
k= 3 (Bolas)
k= 10/3 (Rodillos) coeficiente de rodamiento
f) Realizar la selección final.
g) Determinar las condiciones de montaje, tal como el diámetro del asiento de montaje y la tolerancia en el eje o flecha, diámetro de barreno de la caja y tolerancia, medios para localizar el rodamiento en dirección axial, y necesidades especiales como sellos o blindajes.
A manera empírica, se pueden emplear las tablas 3-1 y 3-2 que brindan una ayuda para dar una aproximación y un juicio para seleccionar un cojinete.
Tipo de rodamiento
Capacidad de carga
radial
Capacidad de carga
axial
Capacidad de des alineamiento Una hilera de bolas con ranura profunda Buena Regular Regular Doble hilera de bolas con ranura profunda Excelente Buena Regular
Contacto angular Buena Excelente Mala
Rodillos cilíndricos Excelente Mala Regular
Agujas Excelente Mala Mala
Rodillos esféricos Excelente Regular a
buena Excelente
Rodillos cónicos Excelente Excelente Mala
Tabla 3-1 Comparación de cojinetes para la selección