Diseo de un torno para moldear madera con un sistema de copiaDesign of a lathe to shape wood with a backup system

Campaa Diego, Jcome Javier, Logacho David, Suqui Marcelo

Resumen:

El torno de madera nos servir para poder moldear la madera de modo que teniendo un tocho modelo nos permita copiarle de manera similar. Se dise de la manera ms ptima, siguiendo un orden lgico y estructurado de anlisis, comenzando por la identificacin de requerimientos y restricciones, para as poder generar 3 posibles alternativas de diseo, se realiz una casa de calidad con el fin de identificar los criterios relevantes del cliente y de ingeniera, analizndolos mediante una tabla de criterios ponderados, evaluando cada criterio con respecto a cada una de las alternativas propuestas y teniendo como resultado el diseo con mayor correlacin a las caractersticas. Una vez seleccionada una alternativa se analiz sus componentes y funciones complementarias, organizndolas y evalundolas mediante una matriz obteniendo como resultado componentes, materiales y caractersticas finales. Posteriormente se realiz un diagrama de flujo de procesos para identificar materia prima y los procesos de manufactura. Para la construccin de la misma lo primero que tenemos que hacer es un diseo de los diferentes elementos mecnicos utilizados para nuestro torno as como el motor. Muchos de los elementos a calcular sern diseados como vigas, columnas o ejes de acuerdo al funcionamiento que tengan en la mquina y al tipo de carga que soporten, los cuales nos ayudaran a un buen funcionamiento y adems en la resistencia de cargas del torno. Una vez realizado este anlisis de diseo, se concluyo de que el material a usar es el acero ASTM A-36, acero ASTM A-500 adems para las columnas se podra utilizar un perfil normalizado de aluminio ya que no soportaran mucha carga.

Palabras claves:Copiado, Madera, Columna, Viga, Eje, Esfuerzo, Resorte, Deformacin

Abstract:

The wood lathe will help us to shape the wood, so we billet having a model, let us copy the model similarly. The lathe was designed in the most optimal way, following a logical order and structured analysis, starting with the identification of requirements and restrictions, so we were able to generate three possible design alternatives, we made a quality home in order to identify important aspects of the customer and engineering, analyzing them using a table of weights, evaluating every aspect of each of the proposed alternatives and design resulting in greater correlation characteristics. When selecting an alternative, we analyze its components and complementary roles, organizing and evaluating through a die and as a result we obtained components, materials and final characteristics. Later we performed a flowchart of processes to identify raw materials and manufacturing processes.

For the construction of the first wood lathe we made a design of the different mechanical elements that we use for our lathe. Many of the elements to calculate will be designed as beams, columns or shafts according to the operation that these have on the machine and the type of force that support, which will help us to have a good performance and also the resistance forces machine.

After performing the analysis, we conclude that the material that we will use is steel ASTM A-36, ASTM A-500 in addition to the columns could use a standard aluminum outline, and they will not put a heavy load

KeywordsCopying, Wood , Column, Beam , Shaft , Effort, Spring , Deformation

Introduccin:

Se denomina torno a un conjunto de mquinas y herramientas que permiten mecanizar, cortar, fisurar, trapeciar, y ranurar piezas de forma geomtrica por revolucin. Estas mquinas-herramienta operan haciendo girar la pieza a mecanizar (sujeta en el cabezal o fijada entre los puntos de centraje) mientras una o varias herramientas de corte son empujadas en un movimiento regulado de avance contra la superficie de la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las condiciones tecnolgicas de mecanizado adecuadas. Desde el inicio de la Revolucin industrial, el torno se ha convertido en una mquina bsica en el proceso industrial de mecanizado.

La existencia de tornos est atestiguada desde al menos el ao 850 a.C. La imagen ms antigua conocida se conserva en la tumba de un sumo sacerdote egipcio llamado Petosiris (siglo IV a.C.). Durante siglos los tornos funcionaron segn el sistema de arco de violn. En el siglo XIII se invent el torno de pedal y prtiga flexible, que tena la ventaja de ser accionado con el pie en vez de con las manos, con lo cual estas quedaban libres para otras tareas. En el siglo XV surgieron otras dos mejoras: la transmisin por correa y el mecanismo de biela-manivela. (Martnez, 2003)

Pero muchas veces se desea moldear un tocho de madera de forma igual a algn modelo ya hecho, sin embargo al realizar esto de forma manual, uno no queda igual al otro, sino de apenas de forma similar. Al tornear la madera normalmente el operario tiene que usar una cuchilla y por consiguiente irle devastando de esa manera. Al tornear de esta manera las piezas no quedan igual puesto que no se calcula al muy bien las distancias adems de que se pueden cometer una serie de errores como cuando el operario devasta mal, por estos motivos la pieza no va a quedar igual a la del modelo. Por esto surge la necesidad de un torno con un copiadoEn la actualidad existe un torno copiador que opera con un dispositivo hidrulico y electrnico permite el torneado de piezas de acuerdo a las caractersticas de la misma siguiendo el perfil de una plantilla que reproduce una rplica igual a la gua.Este tipo de tornos se utiliza para el torneado de aquellas piezas que tienen diferentes escalones de dimetros, que han sido previamente forjadas o fundidas y que tienen poco material excedente. Tambin son muy utilizados estos tornos en el trabajo de la madera y de mrmol artstico para dar forma a las columnas embellecedoras. La preparacin para el mecanizado en un torno copiador es muy sencilla y rpida y por eso estas mquinas son muy tiles para mecanizar lotes o series de piezas que no sean muy grandes. (Bartsch, 2010)Figura 01: Esquema Torno Copiador

La presente investigacin se la realiza para dar una facilidad en el torneo de madera con el sistema de copia, el operario tendra que poner el modelo, el tocho y la cuchilla requerida para poder realizar una copia de la pieza.Metodologa:

Primeramente se identifican los requerimientos y restricciones del torno, es lgico pensar que la misma tendr un grado de seguridad para el operario para evitar daos en las personas, por lo que tendr ciertas especificaciones establecidas

Requerimientos del torno para moldear madera con copiador a disear:

1. El torno tendr un motor con una velocidad regulable, para que el operario pueda controlar la velocidad segn su trabajo lo requiera2. El torno tendr un sistema de apagado total del motor para evitar cualquier daos a la pieza o al operario cuando este lo necesite3. El sistema de copia debe ser un elemento intercambiable, por lo que el operario tiene que trabajar con diferentes cuquillas as lo requiera4. Se presentara una maquina fcil de uso as como la reparacin y mantenimiento Restricciones del torno para moldear madera con copiador a disear:

1. Los operarios de la maquina solo deben ser torneadores expertos ya que ellos conocen la velocidades deseadas para el desbaste y el cambio de cuquillas para su trabajo, el uso inadecuado de velocidad puede provocar un mal trabajo o daos en la maquinaria o en el operario 2. La mquina puede moldear figuras concntricas y una distancia de hasta 50cm

Boceto inicial de las alternativas:

Se proceder a plantear tres alternativas de diseo (Figura 02, Figura 03 y Figura 04). Los diferentes modelos se utilizan para identificar las caractersticas y elementos que componen la mquina.

Simultneamente se realiza una casa de calidad (Tabla 01) para poder identificar y relacionar los criterios del cliente respecto a los criterios de ingeniera, identificando los aspectos fundamentales en los que el torno para moldear madera debe basarse

Posteriormente se proceder a realizar en misma tabla criterios resultante, generando una poderacion para cada uno, es decir su importancia con respecto a los dems y se realiza la sumataroria de los valores obtenidos para obtener el ms significativo. De igual manera se relacionan los criterios con cada una de las alternativas, analizndolas segn lo ms ptimo que es para cada aspecto. Esto nos ayuda a evidenciar de una manera cuantitativa los lineamientos en los que se debe basar el torno para moldeo de madera

Figura 02: Alternativa A

Figura 03: Alternativa B

Figura 04: Alternativa C

Tabla 01: Casa de Calidad, requisitos del cliente y de ingeniera

Para completar la tabla se relaciona estas dos ponderaciones generando una ponderacin final, de la se ha obtenido la alternativa ms ptima para el posterior desarrollo y anlisis del torno para moldear madera.

Dependiendo de los distintos tipos de trabajo que el operario requiera, sea analizan varias posibilidades para la funcionalidad ms ptima de la maquina creando distintas matrices morfolgicas para la creacin de conceptos (Tabla 02)

De las matrices de conceptos se organizan y ponderan, mediante una matriz morfolgica (Tabla 03), las funciones, componentes y caractersticas de la mquina. Jerarquizando cada criterio en si relevante, efectico o flexible. El resultado se la sumatoria determinara cual es la matriz de conceptos ms adecuada.

Tabla 02: Matriz Morfolgica para Generacin de Conceptos

Tabla 02: Matriz Morfolgica de Evaluacin de Conceptos

Para la realizacin del diagrama de procesos se analiz cada parte a manufacturar y otras fabricadas, ya que no se posee la tecnologa para la fabricacin y es ms adecuada comprar ya fabricadas. Se describen las operaciones necesarias para manufactura de cada pieza (Figura 05).

Para la visualizacin de la maquina terminada podemos referimos a la figura (Figura 08).

Se analiz el diagrama de procesos del torno para moldear madera como un todo, las operaciones necesarias para el ensamble y acabado final de la maquina (Figura 09)

Finalmente se realizaron los clculos ms representativos de los esfuerzos, las velocidades y potencias presentes en la mquina.

Clculos de Diseo para el torno para moderar madera con un sistema de copia

Esquema inicial del proyecto

Tabla 05: Esquema inicial del proyecto

l. Vigas para el sistema de copiado

Los datos conocidos para el sistema de copiado son el paso mximo que puede aplicar una personas con una mano que son de 20kgf o 196N[footnoteRef:1]. [1: Datos tomados de http://www.semac.org.mx/archivos/congreso11/BIOM01.pdf]

Con estos datos podemos simular nuestros diagramas de fuerza cortante y momento flector para determinar nuestros puntos crticos del elemento a disear con el software MDSolids 3.5 (Figura 06, Figura 07 y Figura 08)

Se disearon 3 tipos de fuerza que puede poner el operario que son la izquierda, centro y derecha

Figura 06: Diagramas 01 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga de copia en posicin izquierda

Figura 07: Diagramas 03 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga de copia en posicin derecha

Figura 07: Diagramas 02 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga de copia en posicin centro

Como se determina en los diagramas el momento flector mximos es el centro y es una carga dinmica por lo cual procedemos a trazar la ruta de diseo correspondiente para realizar los clculos RUTA DE DISEOCclicorea constanteDctilUniaxialFluctuante

El cual nos indica que el mtodo a utilizar es el de Goodman cuya frmula es la siguiente

[Ec. 01] Esfuerzo Mnimo Esfuerzo Mximo Esfuerzo Amplitud Esfuerzo Medio

Calculamos para un ACERO ASTM A36ASTM A36

Procedemos a calcular las contantes de seguridadFactor de Superficie:

Factor de Tamao:

Factor de tipo de carga:

Factor de Temperatura:

Factor de Confiabilidad:

Con los factores calculados procedemos a encontrar el Se[Ec. 02]

Reemplazando los valores en la Ec. 01 tenemos que

Obtenido la seccin de la figura procedemos con esta a entrar a los catlogos para poder seleccionar nuestro perfil a utilizar como se puede visualizar en la Figura 08Figura 08: Catlogos para perfiles cuadrados

Como se puede observar se escogi el perfil de 20mm x 20mm II) Fuerza aplicada en las cuquillasLas fuerza aplicadas en las cuquillas se obtuvieron de un diagrama de fuerzas y sacando las reacciones para su proceso de corte de madera como se puede ver en la Figura 09, adems se comprobaron las durezas de algunos tipos de madera comprobando s que se puede utilizar un acero ASTM A36 para la fabricacin de las cuquillas pero estas ya vienen fabricadas

Figura 09: Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector para la fuerzas de presin en la cuchillas

III) Seleccin de resorte para el elemento de copia Para la seleccin de resorte primero debemos tener unos parmetros en cuenta cmo cual quiero que sea la fuerza de compresin as como su distancia de deformacin para ellos utilizamos los datos sacados anteriormente de la Figura 09, tambin queremos que el resorte se deforme 2cm y con la siguiente ecuacin podemos determinar la constante que queremos en el resorte Ley de Hooke [Ec. 03] x=2 cm

Con estos datos podemos encontrar en catlogo el resorte requerido. La Figura 10 muestra un catlogo de resortes compresin de la empresa Lee Spring Figura 10: Catlogos para resortes a compresin Lee Spring-Mxico

Con lo cual podemos determinar que nuestro resorte requerido es:RESORTE COMPRESION SERIE ESTANDAR LCMO55B12Con las siguientes caractersticas

IV) Vigas para el sistema guaComo se puede observar el diseo para el elemento gua ser una viga que al igual que el anterior elemento soportara cargas de en los diferentes punto como se puede observar en la Figura 11

Figura 11: Esquema del elemento gua

Como se dise antes la viga para la el sistema de copiado se utilizara el mismo procedimiento para ellos procedemos a sacar los diagramas de fuerza cortante y momento flector representados en la Figura12, Figura 13 y Figura 14

Figura 12: Diagramas 01 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga gua en posicin centro

Figura 13: Diagramas 02 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga gua en posicin izquierda

Figura 14: Diagramas 04 de Fuerza Cortante y Momento Flector para la viga gua en posicin derecha

Como se determina anteriormente en los diagramas el momento flector mximos es el centro y es una carga dinmica por lo cual procedemos a trazar la ruta de diseo correspondiente para realizar los clculos igual que lo hicimos anteriormente

RUTA DE DISEOCclicorea constanteDctilUniaxialFluctuante

El cual nos indica que el mtodo a utilizar es el de Goodman cuya frmula es la siguiente

[Ec. 01] Esfuerzo Mnimo Esfuerzo Mximo Esfuerzo Amplitud Esfuerzo Medio

Calculamos para un ACERO ASTM A500ASTM A500

Procedemos a calcular las contantes de seguridadFactor de Superficie:

Factor de Tamao:

Factor de tipo de carga:

Factor de Temperatura:

Factor de Confiabilidad:

Con los factores calculados procedemos a encontrar el Se[Ec. 02]

Reemplazando los valores en la Ec. 01 tenemos que

Figura 15: Catlogos para perfiles en forma de E

Como se puede observar se seccion el perfil de 50mm x 25 mm, se utiliz tambin un material ms duro que el utilizado en el perfil para la copia por lo que queremos que este elemento se desgaste menos. Por ultimo comprobamos las dureza de las maderas en la Figura 16 podemos apreciar en la siguiente tablaFigura 16: Dureza de algunos tipos de madera

V) Columnas para el soporte del eje del motor y vigas guaEstos elementos mostrados en la Figura 17 sern diseados como columnas ya que solo sufren cargas a compresin

Figura 17: Diagrama del elemento para columna

De acuerdo a como van a estar diseadas las columnas podemos ver que tienen la forma de empotrado- libre, lo cual nos obliga a usar una constante de 2,1 en este caso.

Sacamos la fuerza teniendo en cuenta que el peso de un brazo es de 18:

Por factores de diseo y seguridad vamos a multiplicar esta fuerza por 3

Sacamos la constante de columna la cual nos va a ayudar a verificar si es columna larga o corta.

De la frmula de la Pcritica despejamos la inercia, la cual es la nica incgnita de esta ecuacin.

Una vez sacada esta, nos podemos dar cuenta que la inercia es muy pequea por lo que al momento de ir al catlogo nos tocara elegir una pieza con una seccin muy pequea.

Por este motivo procedemos a cambiar de material ALUMINIOComo pudimos ver, para el acero nos sale una inercia muy pequea por lo que decidimos cambiar de materia a aluminio.

Sacamos la constante de columna con los datos del aluminio.

Sacamos la inercia:

Sacamos el radio mnimo la cual est en los catlogos

Una vez hecho esto sacamos la RE para poder comprobar si es columna larga o corta dependiendo de cul sea mayor con respecto a la Cc.

Dado que Cc es mayor que RE podemos deducir que es columna corta.Sacamos el rea de la seccin transversal con los datos del catlogo.

Usamos la frmula de columna corta para poder realizar la comprobacin si el materia que ya elegimos en el catlogo soporta la carga que le vamos a someter.

Como podemos ver la carga que soporta el material elegido es mucho mayor a la carga con la que le vamos a hacer trabajar, por lo tanto:Si se puede usar el materialVI) Diseo del eje de transmisinPara el diseo del eje primero seleccionamos el motor a utilizar para lo cual tenemos las siguientes caractersticas as como sus revoluciones, revoluciones de trabajo y la potencia. Con eso podemos determinar el Torque de motor para los posteriores clculos

Una vez seleccionado decimos que la trasmisin ser por banda plana para lo cual tenemos

Ya con este dato podemos a crear los diagramas representados en la Figura 18

Figura 18: Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector el eje

Procedemos a determinar el dimetro del eje en cada punto crticoEl material a utilizarse ser el AISI 1130 OBT1300 con las siguientes caractersticas

Punto A

Punto B

Punto C

Una vez obtenido los dimetros procedemos a seleccionar los rodamientos a utilizarseRodamiento B y C

Por catlogo obtenemos las siguientes caractersticas de los rodamientos cncavos que van a soportar cargas radiales ininCon los datos ya encontrados podemos disear el eje para lo cual utilizamos la herramienta de Solidworks (Figura 19), con su respectivo plano (Figura 20)

Figura 19: Diseo del eje en Solidworks

Figura 19: Planos del eje

Elementos de la maquina con sus cotas finalesBase del conjunto

Columna para soporte del motor.

Soporte para la columna ajustadora del tocho

Columna para el ajustador del tocho

Tornillo para ajustar el tocho

Columna para el soporte del modelo

Llave para el ajustador

Viga para el soporte del elemento copiador

Viga que soporta el sistema de copia.

Anlisis de resultadosComo podemos apreciar en este artculo los materiales a utilizar son el acero ASTM A-36 y ASTM A-500 los cuales tienen las condiciones estructurales necesarias para poder soportar las cargas mximas que esta mquina va a tener si se siguen las dimensiones de perfil establecidas en el presente artculo. As mismo las columnas de aluminio podrn soportar las cargas mximas. Para la mayora de elementos se ha trabajado con un factor de seguridad de 3, lo cual le da a la maquina una mayor confiabilidad dado que tolera un porcentaje mayor de carga para la que fue diseada. Algunos parmetros de dichos resultados van a estar directamente relacionados con las dimensiones y medidas de los distintos elementos de la maquina dado que los mtodos utilizados en el diseo ocupan dichas medidas. Si se llegan a modificar esas medidas se tendra que hacer otra vez el anlisis estructural.ConclusionesSe ha logrado el diseo de un torno para moldeo de madera con un elemento de copia con se ayuda al operario hacer un trabajo ms preciso y ms rpido que un torno normal.El anlisis de matrices como la casa de calidad y la tabla de criterios ponderados permiten una correcta adecuacin del torno que finalmente ha sido diseada con los requerimientos y los criterios ms valorados tanto por el cliente como por la ingeniera El anlisis morfolgico permiti la seleccin de componentes ms ptimos, as como las caractersticas y funciones ms adecuadas que deben estar presentes.Los materiales a utilizar son el acero ASMT-500 y el ASTM A-36 dado que poseen las caractersticas mecnicas requeridas y soportan las cargas de la mquina.La cuchilla a utilizar en el desbaste del tocho tiene que tener una mayor dureza que la madera, bajo ese requerimiento el material a usar es acero ASTM-A36.

AgradecimientosPor hacer posible la realizacin de este articulo y gua en los paso para el dselo de la maquina al catedrtico de la materia Tecnologas de Manufactura, de la carrera de Ingeniera Mecatrnica. Ing. Alex F. Vinueza L. Msc.Pr su ayuda en aspectos del diseo en algunos elementos mecnicos al catedrtico de la materia Diseo de Elementos de Maquina, de la carrera de Ingeniera Mecatrnica. Ing. Luis HidalgoPor su ayuda a la compresin de aspectos importantes en un torno as como su funcionamiento al seor Luis Cases Bibliografa Budynas, R. G., & Nisbett, J. K. (2008). Diseo en ingeniera mecnica de Shigley (8th ed.). Mxico: McGraw-Hill Interamericana. GROOVER, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas. Mxico: PrenticeHall Hispanoamrica S.A. Mott, R. L. (2006). Diseo de elementos de mquinas (4th ed.). Mxico: Pearson Educacin Resorte Lee Spring (2011), Catlogos de resortes a compresin recuperado el 22 de Junio del 2015 de http://www.acxesspring.com/constante-de-un-resorte.html Aceros Boehler del Ecuador S.A. (2008). Manual de Aceros Especiales. Aceros IPAC del Ecuador S.A. (2010). Manual de Aceros Estructurales.