Procesos Industriales

Transcripción

Pontificia Universidad Católica Argentina
Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería
Ingeniería Industrial
Jarro de Aluminio
Profesores: Ing. Juan Montesano
Profesores: Ing. Angel Dipietro
Grupo: 20
Integrantes: Aranda, Gabriel
Kruchowski, Alejandro
Valverde Lyons, Rodrigo
11-5-2011
INDICE
TITULOS
Introducción
Descripción del Producto
Materias Primas
Recipiente
Mango
Procesos
Corte
Repujado
Descripción de la Máquina-Herramienta
Herramientas de Repujado
Simulación y Análisis del Proceso
Perforado
Remachado
Fabricación del Soporte
Ensamblado
Videos
Bibliografía
Pág.
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Aranda - Kruchowski - Valverde
Producción de un Jarro de Aluminio
Introducción
Este trabajo releva los procesos necesarios para la fabricación de un jarro de aluminio de uso
doméstico, tanto la selección de las materias primas como los medios de transformación para
llegar al producto final.
Descripción del producto
El producto seleccionado posee un cuerpo cilíndrico de aluminio y un mango o asa aislante de
plástico. Sus medidas aproximadas son: 0,115 m de altura y un diámetro medio de 0,12 m,
posee una capacidad de 1,3 litros.
El asa se encuentra fijada mediante un tornillo a un soporte y éste a la superficie por medio de
dos remaches.
En la parte superior de puede observar un nervio, esto posee la doble funcionalidad de matar
el canto filoso y además dar resistencia al recipiente dado su reducido espesor.
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Materias primas
Recipiente
Primero nos ocuparemos del recipiente propiamente dicho, es decir del aluminio.
La elección del aluminio como materia prima de elementos de batería de cocina, se basa en
cuestiones como costos, facilidad de conformación y excelentes propiedades de conducción
térmica.
Hemos investigado las características que debe poseer la aleación de aluminio a emplear, en
cuanto al uso y adecuación al proceso productivo.
Dado que es un recipiente cuyo objetivo es la preparación de alimentos, el material no debe
ser toxico. Se recomienda utilizar aluminio de alto grado de pureza en la fabricación de
elementos de cocina.
Los estudios científicos de la Food and Drug Administration (FDA), órgano oficial de salud de
los Estados Unidos, que evalúa y reglamenta el uso de medicamentos y alimentos, clasificó al
ALUMINIO en la categoría "Productos Reconocidamente Seguros". Legitimando así, su
utilización no sólo en medicamentos, alimentos, cosméticos, sino también en utensilios
domésticos, embalajes de alimentos y productos de higiene personal. Aun así no es
aconsejable la preparación de alimentos cítricos en estos recipientes, debido a la formación de
citratos.
El cuerpo humano tiene en los pulmones, en el tracto digestivo y en la piel barreras naturales a
la absorción del aluminio. La barrera hematoencefálica, a su vez, dificulta la migración de
sustancias externas, incluso del aluminio, de la corriente sanguínea al cerebro.
El proceso de conformación elegido es el repujado, de esta forma el material también debe ser
apto a tal manipulación. Se presentan como opciones el aluminio 1050-0 y el 1100-0, esto se
debe a que aleaciones como 3003 o 6061 son difíciles de conformar, además 1050-0
representa que no posee tratamiento térmico a diferencia de notaciones como T6 o H32.
Presentamos las características de las dos aleaciones de potencial uso. La siguiente tabla ha
sido extraída y adaptada del Handbook of aluminium de George E. Totten.
Viendo la disponibilidad en nuestro país de las distintas aleaciones y sus presentaciones,
optamos por un aluminio 1050-0 que se presenta en chapas de distintas medidas.
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Solamente a fines de ilustración elegimos una chapa de 2000x1000 mm con un espesor de 0,7
mm (Aluar). Estas dimensiones de largo y ancho se podrían llegar a modificar en función del
tamaño de las herramientas de corte o para optimizar el uso de la materia prima.
Otro elemento constitutivo del producto es el que se utiliza para fijar el asa al jarro, esta pieza
también es de aluminio, con lo cual comparte las características ya descriptas.
Mango
Para el mango se utiliza un polímero termoestable como puede ser la baquelita. Cuando las
moléculas de cadena larga en un polímero están entrelazadas en una organización
tridimensional la estructura se convierte en una gran molécula con fuertes enlaces covalentes.
Esta red se completa durante la polimerización y la forma del producto se conserva
permanentemente, dado que la reacción de curado a diferencia con la reacción de los
termoplásticos es irreversible.
La baquelita
También conocida como fenólico, su síntesis se realiza a partir de moléculas de fenol y
formaldehído (Proceso de Baekeland), en proporción 2 a 3.0 El formaldehído sirve de puente
entre moléculas de fenol, perdiendo su oxígeno por sufrir dos condensaciones sucesivas,
mientras que las moléculas de fenol pierden dos o tres de sus átomos de hidrógeno, en orto y
para, de forma que cada formaldehído conecta con dos fenoles, y cada fenol con dos o tres
formaldehídos, dando lugar a entrecruzamientos. En exceso de fenol, la misma reacción de
condensación da lugar a polímeros lineales en los que cada fenol sólo conecta con dos
formaldehídos.
Los termoestables no poseen una temperatura de transición vítrea definida, dada la naturaleza
de los enlaces, la resistencia y la dureza de un termoestable no se ven afectados por la
temperatura ni por la velocidad de deformación como sucede con los termoplásticos. Aquí si
se incrementa lo suficiente la temperatura el polímero comenzara más bien a quemarse y
carbonizarse.
No se entra en detalle del proceso de moldeo ya que generalmente las compañías que fabrican
baterías de cocina compran a proveedores los mangos y asas para sus productos.
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Procesos
Corte Chapa
Estampado de
Soporte
Fabricacion de
Mango
Corte Discos
Control
Discos
OK
Repujado
Perforado
Emsamblado
Mango y
Soporte
Remachado
Ajuste Final y
Limpieza
Corte
Para poder iniciar la conformación es necesario contar con la chapa cortada en discos, para
lograr esto primero se cortan cuadrados.
Dado el reducido espesor de la lámina y la relativa ductilidad del material son muchos los
procesos de corte aplicables, algunos mucho más sofisticados y de mayor escala que otros.
Como ejemplos se pueden citar los procesos de corte por LASER o chorro de agua.
En un principio analizamos la opción de obtener los discos a través de una matriz de corte, la
gente de Laminación Paulista Argentina que prepara discos de este tipo nos comentó que
ellos cortan en matriz diámetros de hasta 450 mm, nosotros hemos elegido otro proceso dado
que permite obtener distintos diámetros y así poder ofrecer una gama mayor de productos.
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Se usarán cizallas circulares (circle shear) que cortan el material mediante rodillos afilados.
Según el modelo éstas pueden ser motorizadas o manuales, este método tiene la ventaja como
ya se mencionó de poder cortar distintos diámetros sin la necesidad de incurrir en grandes
costos de matricería, obviamente las velocidades de producción son muy distintas pero para el
volumen de producción que puede tener una planta pequeña es suficiente.
Una posible configuración de corte es dada a continuación. El diámetro propuesto se
determinó a partir de una simple formula de diseño y en función de ciertos supuestos. Se
considera una elongación de un 20% y luego se retira otro porcentaje de material por
refrenteo.
R=0.8 (L+r) 0.8 (140mm+60mm) = 160 mm
Con esta expresión orientativa el diámetro a utilizar sería de 320 mm.
El esquema del disco resultante de desplegar el jarro seria el siguiente, los diámetros están
indicados en milímetros. La primera región de 90 corresponde a la base, mientras que el área
comprendida entre los diámetros 90 y 120 será donde se obtenga un ángulo recto. Luego
hasta 340 milímetros el material está destinado a lo que serán las paredes del jarro, para
finalizar con una porción donde se materializa el nervio. Se totaliza un diámetro de 370 mm
como primera aproximación se cortarán discos de 326 mm.
Ø90
Ø120
Ø340
Ø370
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2000
326
1000
En la imagen se puede observar una distribución de corte para la chapa seleccionada.
Según la bibliografía esta distribución posee un aprovechamiento del orden de un 60%, otras
distribuciones generan rendimientos de hasta 73% pero no son adaptables al proceso de corte.
El material que se descarta de esta etapa puede ser utilizado, en caso de ser posible, en la
fabricación de los soportes del mango o bien devueltos a la compañía que provee el mismo.
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La cizalla circular sujeta el cuadrado de aluminio y lo hace girar al mismo tiempo que lo corta,
en la imagen de abajo se puede apreciar la herramienta en funcionamiento.
Se aclara que es necesario experimentar con esta dimensión, en caso que sea necesaria alguna
corrección puede ser implementada sin problemas gracias a la flexibilidad de la herramienta
de corte.
Repujado
Como ya se adelantó el proceso de conformación será el repujado, también conocido como
rechazado, repulsado o en inglés, metal spinning.
Se trata de un proceso de conformación en el que existe compresión y estirado de un disco de
chapa para formar con él un cuerpo hueco. (Axilsimetrico)
Se utiliza un torno, con un mandril que posee la forma de la pieza, sobre el cual se fija el disco.
La herramienta de repujado actúa localmente, no se pretende una disminución del espesor de
la chapa, esto depende principalmente de la dirección del esfuerzo de repujado, si prevalecen
fuerzas normales o de corte.
Las velocidades oscilan entre las 900 y 1500 rpm, el proceso originalmente manual fue
trasladado con éxito a herramientas de control numérico (CNC).
Se pueden combinar operaraciones de refrenteado, acabado superficial, corte aprovechando
la versatilidad de la máquina herramienta.
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En la siguiente figura se puede observar cómo se lleva la chapa inicial a copiar la forma del
mandril y también la variación típica de los espesores de la misma.
Esta operación permite tener listo el recipiente, ya que se le da su forma definitiva y en el
último paso se genera el nervio de la parte superior.
Descripción de la Máquina-Herramienta
El protagonista de esta operación es el torno de repujado. El torno que se utiliza generalmente
difiere de los tornos de precisión, se podría decir que son una versión simplificada de ellos,
esta “simplificación” también aplica a las versiones CNC. La idea es no incurrir en el costo de
un torno de precisión si solo se llevaran a cabo tareas de repujado. Se presentan variantes del
torno a continuación.
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Las dos primeras imágenes muestran tornos de repujado manuales, la última corresponde a un torno adaptado a
tales fines con un controlador numérico.
Los elementos más importantes son los siguientes: el mandril, el cual hace de molde de la
pieza a repujar es la parte que gira con el motor del torno. La contrapunta, sujeta el disco de
material contra el mandril y gira solidaria al mismo, completan la lista de elementos básicos la
bancada y la base portaherramientas. Es necesario también un control de velocidad básico.
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Herramientas de repujado
Las herramientas utilizadas para repujar pueden variar de acuerdo a cada usuario, mientras
que en las operaciones con CNC prevalece el uso de rodillos.
Figura A
Figura B
La fabricación del producto en estudio requiere solamente de dos herramientas, una primera
para “copiar” la forma del mandril y otra para el reborde.
Para la primera fase se utiliza una herramienta como las de la Figura A o la clásica lanza de
repujador mostrada en la Figura C.
Figura C
El reborde se materializa utilizando una herramienta del tipo de las que se observan en la
Figura B.
Adicionalmente es necesaria una herramienta de corte la cual se utiliza para frentear, es decir
para corregir el borde del recipiente.
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Simulación y análisis del proceso
Como el proceso en cuestión es sumamente artesanal al pasar a herramientas automatizadas
es necesario conocer en detalle este tipo de conformado como así también las tensiones
generadas en el material.
Al estudiar el tema encontramos información muy interesante sobre nuevas tecnologías
aplicadas al arte del repujado.
EduSpin es una aplicación desarrollada por el departamento de ingenieria mecanica de la
Universidad de Transilvania de Rumania. Funciona relacionada en un entorno de AutoCAD, se
puede observar en estas capturas de pantalla las posibilidades de aplicación, en piezas
cilindricas con o sin borde y piezas conicas.
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Otra aplicación específica es SpinCad desarrollada por MJC Engineering & Technology, la cual
se comercializa con algunos tornos CNC.
En las siguientes imágenes se puede ver la distribución de espesores y esfuerzos obtenidas
mediante simulación por el método de elemento finito. Cabe aclarar que estos intentos de
simulación de este proceso están basados en complejos algoritmos y permiten de alguna
forma predecir y/o mejorar condiciones de manufactura que tienen por objeto reducir la
componente aleatoria del proceso manual.
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Perforado
Es necesario disponer de dos orificios en el recipiente para luego remachar el soporte. Estos se
pueden generar con una perforadora de pie por medio de un punzón.
A la perforadora se debería adjuntar una guía para de esta forma tener predeterminada la
posición de los orificios y también evitar la deformación del recipiente.
La intención de la figura es mostrar que dependiendo de la geometría del punzón la fuerza de
corte es distinta, de esta forma un punzón de corte oblicuo tiene menos superficie de contacto
y es necesaria menos fuerza de corte.
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Remachado
Una vez que el recipiente se encuentra conformado y perforado es necesario fijar el elemento
que luego servirá para la sujeción del mango. Para tal fin se utiliza una remachadora de
impacto. Esta herramienta puede contar con alimentación automática de remaches lo cual
aporta una gran simplificación a la tarea.
Fabricación del Soporte
Como ya se adelantó, el mango es sujetado a un soporte que impide que el contacto sea
directo con la superficie del recipiente, para así prolongar la vida útil del mismo.
El elemento en cuestión se realizará a través de un estampado en matriz secuencial o
progresiva. Serían necesarios dos golpes/cortes para obtener esta pieza.
La pieza posee tres orificios, los dos laterales destinados a alojar a los remaches y el central
que permite atornillar el mango. El relieve que se materializa en el centro dos objetivos, uno es
impedir el giro del mango dada la forma rectangular y además retener en su lado interno e
impedir el giro de la tuerca que junto con el tornillo completan la unión.
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Mediante el uso de una matriz progresiva, se pude en el primer golpe del balancín generar
sobre una banda los tres orificios y retirar material de modo que la configuración sea la
mostrada en la siguiente figura.
El segundo golpe, permite embutir y cortar la pieza en la forma definitiva.
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Ensamblado
Con el recipiente, soporte y mango listos, se debe proceder a unir el mango al soporte sin dar
ajuste, con el solo objetivo de dejar la tuerca del lado interno del soporte antes de remachar.
Paso siguiente se remacha el soporte al recipiente y ahora si es posible ajustar definitivamente
el tornillo del mango.
El último paso sería la limpieza del producto, ya que del repujado pueden devenir restos de
lubricante en la superficie.
Videos
En los siguientes enlaces es posible observar algunos de los procesos descriptos en este
trabajo.
http://www.youtube.com/watch?v=7RD_8pWTZ5A Repujado de un recipiente muy similar al
propuesto en el trabajo con diferencias en cuanto a dimensiones y material (realizado en
cobre).
http://www.youtube.com/watch?v=KAzTvf-wDaY&NR=1 Corte de discos de aluminio con
cizalla circular.
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Bibliografia
Kalpakjian S. Schmid S.R. - Manufactura, Ingeniería y Tecnología - 5º Edición.
Prentice Hall. 2008
Extracto de Latest Trends on Engineering Mechanics, Structures, Engineering Geology Alexandru C. FILIP, Ion NEAGOE Department of Manufacturing Engineering University
TRANSILVANIA of Brasov - Simulation of the Metal Spinning Process by Multi-Pass Path
UsingAutoCAD/VisualLISP 2010
Nam T. P. Le, Ngan V. Le, Henri Champliaud Analysis of sheet metal spinning process – research
presentation
Peter Rubin Fletter - Metal Spinning – 1995
Schuler - Metal Forming Handbook – Springer – Berlin 1998
George E. Totten - Handbook of aluminium – Volume 1 - 2003
http://www.bazzshop.com
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Procesos Industriales

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