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DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A
LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y
RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE
ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2017
DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A
LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y
RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE
ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero mecánico
Director de proyecto
Germán Sicachá Rojas
Ingeniero mecánico
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2017
CONTENIDO GLOSARIO .................................................................................................................... 11
RESUMEN ...................................................................................................................... 12
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 14
1.1. OBJETIVOS ..................................................................................................... 15
1.1.1. Objetivo general ........................................................................................ 15
1.1.2. Objetivos específicos ................................................................................ 15
2. GENERALIDADES DE LA EMPRESA ................................................................ 16
2.1. Misión ............................................................................................................... 16
2.2. Visión ............................................................................................................... 16
2.3. Organigrama ..................................................................................................... 16
3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 18
3.1. CHAPA METÁLICA ....................................................................................... 18
3.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA ......................... 19
3.2.1. Laminación plana ...................................................................................... 19
3.2.2. Embutición profunda ................................................................................... 19
3.3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA ..... 19
3.3.1 Troquelado. ..................................................................................................... 19
3.3.2. Tipos de troqueles .......................................................................................... 20
3.3.3. Prensa ............................................................................................................. 20
3.4. ALIMENTADORES DE CHAPA PARA PRENSA ............................................... 21
3.5. DISEÑO MECÁNICO ............................................................................................. 23
3.5.1. Fases del diseño mecánico ............................................................................. 23
3.5.2. Elementos comunes en el diseño mecánico ................................................... 24
3.6. AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................. 24
3.7. PRINCIPIOS DE NEUMÁTICA ............................................................................. 25
3.7.1. Actuadores neumáticos: Cilindros ................................................................. 26
3.7.2. Válvulas neumáticas ...................................................................................... 26
3.8. TÉCNICAS DE CREATIVIDAD ........................................................................... 27
3.8.1. Lluvia de ideas ............................................................................................... 27
3.8.2. Lista de atributos ............................................................................................ 27
3.8.3. Seis sombreros para pensar ............................................................................ 28
3.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD “QFD” .................................... 28
3.10. DISEÑO CONCEPTUAL ...................................................................................... 28
3.10.1. Análisis funcional ........................................................................................ 28
4. ESTUDIO PRELIMINAR ....................................................................................... 30
4.1. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA (PRIMER NIVEL) ....................................... 30
4.2. EL RIEL CHANEL .......................................................................................... 30
4.3. PROCESO DE FABRICACIÓN ...................................................................... 31
4.3.1. Equipos requeridos para el proceso........................................................... 31
4.3.2. Descripción del proceso de fabricación .................................................... 34
4.3.3. Especificaciones de la troqueladora .......................................................... 36
4.3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO ACTUAL DE
TROQUELADO ...................................................................................................... 37
4.3.5. Riesgos laborales de un operario al troquelar ........................................... 38
4.3.6. Disponibilidad operativa ........................................................................... 38
4.4. ESTUDIO DE LA DEMANDA ACTUAL Y PROYECCIÓN A CORTO
PLAZO. 39
4.4.1. Demanda actual del producto en estudio. ................................................. 39
5. DATOS DEL PROCESO ACTUAL ....................................................................... 40
5.1. TIEMPO DE REGLAJE DE LA PRENSA PARA TROQUELADO DE RIEL
CHANEL ........................................................................................................................ 40
5.2. TIEMPO DE TROQUELADO PARA RIEL CHANEL .................................. 40
5.3. PROMEDIO DE ERROR HUMANO EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN
DE RIEL CHANEL ........................................................................................................ 42
5.4. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD POR UNIDAD DE RIEL CHANEL
42
5.5. CONSIDERACIONES A PARTIR DE LOS DATOS DE PROCESO
ACTUALES .................................................................................................................... 43
5.6. ASPECTOS A PRIORIZAR EN EL DISEÑO ................................................ 43
6. EJECUCIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO............................................... 45
6.1. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD (QFD) ............................. 45
6.1.1. Tormenta de ideas para definición de los “Qué” ...................................... 45
6.1.2. Agrupación de ideas y definición de los “Qué” ........................................ 46
6.1.3. Asignación de coeficientes de peso a los “Qué” ....................................... 47
6.1.4. Análisis de competencia ............................................................................ 47
6.1.5. Establecimiento de los “cómo” y su correlación....................................... 47
6.1.6. Evaluación de los “Cómo” en base al estudio de la competencia ............. 47
6.1.7. Puntuación final y conclusiones ................................................................ 48
6.2. ANÁLISIS FUNCIONAL ................................................................................ 48
6.2.1. Modelo de la caja negra ............................................................................ 48
6.2.2. Análisis funcional...................................................................................... 49
6.2.3. Caja gris .................................................................................................... 49
6.2.4. Check list ................................................................................................... 50
6.2.5. Seis sombreros para pensar ....................................................................... 50
6.3. JERARQUIZACIÓN POR SUBSISTEMAS ................................................... 51
6.4. INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS ................................................................ 51
6.5. SÍNTESIS DE LAS METODOLOGÍAS DE DISEÑO APLICADAS ............ 52
6.6. PLANTEAMIENTO DE POSIBLES SOLUCIONES PARA EL DISEÑO
DEL SISTEMA DE ALIMENTACIPIN DE CHAPA METÁLICA .............................. 52
6.6.1. Propuesta 1: Mecanismo simple de 4 barras ............................................. 52
6.6.2. Propuesta 2: Sistema de actuadores neumáticos ....................................... 53
6.6.3. Propuesta 3: Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras ......... 53
6.7. MATRIZ DE EVALUACIÓN DE PROPUESTAS ......................................... 53
7. DISEÑO DETALLADO.......................................................................................... 55
7.2. COMPROBACIÓN DE LA FUERZA DE TROQUELADO .......................... 56
7.3. ESPECIFICACIÓN DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ........... 56
7.4. DEFINICIÓN DE LAS LIMITANTES DE ESPACIO ................................... 57
7.5. SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS ............................................ 59
7.5.1. Selección de cilindro neumático para accionamiento del pedal ............... 59
7.5.2. Selección de cilindro neumático pisador .................................................. 60
7.5.3. Selección de cilindro neumático para sistema de avance.......................... 61
7.5.4. Estimación de la velocidad de los cilindros .............................................. 61
7.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE CABLEADO LÓGICO ................................... 62
7.7. DISEÑO DEL SOPORTE PARA EL CILINDRO DE ACCIONAMIENTO
DEL PEDAL ................................................................................................................... 62
7.8. DISEÑO DEL SISTEMA DE AVANCE ........................................................ 64
7.9. DISEÑO DEL SISTEMA PISADOR .............................................................. 68
7.9.1. Sistema pisador principal .......................................................................... 68
7.9.2. Sistema pisador auxiliar ............................................................................ 70
7.10. PLACA SOPORTE Y ANCLAJE A MÁQUINA ........................................... 72
8. DATOS DEL PROCESO CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL ALIMENTADOR
DE CHAPA METÁLICA ............................................................................................... 77
8.1. TIEMPO DE TROQUELADO DE RIEL CHANEL CON EL
ALIMENTADOR ........................................................................................................... 77
8.1.1 Tiempo muerto por lote de producción ..................................................... 77
8.1.2. Error humano en el proceso de troquelado riel chanel .............................. 77
8.2. TIEMPO PROMEDIO DE PRODUCCIÓN .................................................... 77
8.3. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD DE RIEL CHANEL CON EL
ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA ................................................................. 78
8.4. INVERSIÓN EN EL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CHAPA
METÁLICA .................................................................................................................... 78
8.4.1. Estimación de costos de fabricación .............................................................. 79
8.5. ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTO DE PRODUCCIÓN Y UTILIDAD
MENSUAL: PROCESO ACTUAL VS PROCESO MEJORADO ................................ 80
9. CONCLUSIONES ................................................................................................... 82
10. RECOMENDACIONES ...................................................................................... 84
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 85
ANEXOS ........................................................................................................................ 87
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Ubicación de la empresa PH&ES .............................................................. 16
Ilustración 2 Organigrama general de la empresa PH&ES. ............................................ 17
Ilustración 3 Chapa Metálica .......................................................................................... 18
Ilustración 4 Troquel Simple ........................................................................................... 20
Ilustración 5 Troquel Progresivo ..................................................................................... 20
Ilustración 6 Esquema Prensa Mecánica ......................................................................... 21
Ilustración 7 Alimentador de Pinzas ............................................................................... 21
Ilustración 8 Alimentador de Rodillos ............................................................................ 22
Ilustración 9 Sistemas de Potencia Mecánica ................................................................. 22
Ilustración 10 Operación Automática por Leva Lineal ................................................... 23
Ilustración 11 Fases de diseño mecánico ........................................................................ 23
Ilustración 12 Diseño conceptual .................................................................................... 28
Ilustración 13 Modelo de caja negra ............................................................................... 29
Ilustración 14 Distribución del primer nivel de la planta de producción de la empresa
PH&ES (medidas en metros) .......................................................................................... 30
Ilustración 15 Modelo en tres dimensiones de un tramo de riel chanel. ......................... 31
Ilustración 16 Cortadora manual de lámina metálica. ..................................................... 32
Ilustración 17 Cortadora eléctrica de lámina metálica .................................................... 32
Ilustración 18 Troqueladora de 30 Ton ........................................................................... 33
Ilustración 19 Troquel para ranura de riel chanel ........................................................... 33
Ilustración 20 Dobladora manual de lámina metálica ..................................................... 34
Ilustración 21 Dobladora eléctrica de lámina metálica ................................................... 34
Ilustración 22 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de riel chanel ................... 35
Ilustración 23 Modelo de la caja negra para el proceso de diseño del alimentador de
chapa metálica. ................................................................................................................ 49
Ilustración 24 Modelo de caja gris para el proceso de diseño del alimentador de chapa
metálica. .......................................................................................................................... 49
Ilustración 25 Tablas de conceptos para combinación. ................................................... 51
Ilustración 26 Mecanismo simple de cuatro barras ......................................................... 52
Ilustración 27 Sistema de actuadores neumáticos ........................................................... 53
Ilustración 28 Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras ............................. 53
Ilustración 29 Sistema de alimentación de chapa metálica ............................................. 55
Ilustración 30 Secuencia de trabajo del sistema de cilindros neumáticos ....................... 57
Ilustración 31 Dimensiones generales del troquel para ranura ....................................... 57
Ilustración 32 Modelo de la troqueladora. Se muestra la zona de trabajo ...................... 58
Ilustración 33 Dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora ............................ 58
Ilustración 34 Ubicación de riel chanel con respecto al troquel ..................................... 59
Ilustración 35 Posiciones del pedal de la troqueladora ................................................... 60
Ilustración 36 Modelado del soporte para fijación de cilindro neumático para
accionamiento del pedal .................................................................................................. 62
Ilustración 37 Condiciones de giro del cilindro neumático del pedal ............................. 63
Ilustración 38 Posición inicial y final del cilindro neumático de accionamiento del
pedal. ............................................................................................................................... 63
Ilustración 39 Soportes para adaptación del cilindro neumático al pedal y anclaje a piso
......................................................................................................................................... 64
Ilustración 40 Sistema de avance de chapa metálica ...................................................... 65
Ilustración 41 Alineación del centro del cilindro con el centro del punzón de troquelado
......................................................................................................................................... 65
Ilustración 42 Determinación de altura de instalación del cilindro de avance ................ 66
Ilustración 43 Doblez de acceso de lámina metálica a 15° ............................................. 66
Ilustración 44 Sistema de alineación ............................................................................... 67
Ilustración 45 Adaptación de bujes de bronce ................................................................ 67
Ilustración 46 Descripción del sistema de alineación de tira metálica ............................ 68
Ilustración 47 Sistema pisador principal ......................................................................... 68
Ilustración 48 Ubicación del cilindro pisador ................................................................. 69
Ilustración 49 Descripción del sistema de prensado ....................................................... 70
Ilustración 50 Sistema pisador de lámina auxiliar .......................................................... 71
Ilustración 51 Placa soporte y bridas de sujeción ........................................................... 73
Ilustración 52 Cavidad para instalación de tornillo de cabeza cilíndrica ........................ 73
Ilustración 53 Descripción del bastidor y sistema de anclaje ......................................... 74
Ilustración 54 Esfuerzos de Von Misses en brida de sujeción central ............................ 74
Ilustración 55 Factor de seguridad de la brida de sujeción central ................................. 75
Ilustración 56 Esfuerzo de Von Misses en bridas de sujeción lateral ............................. 75
Ilustración 57 Factor de seguridad de las bridas de sujeción lateral ............................... 76
Ilustración 58 Sistema de alimentación de riel chanel .................................................... 76
Ilustración 59 Costo de mano de obra como fracción del costo de manufactura total .... 79
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Características del riel chanel ............................................................................ 31
Tabla 2 Dimensiones de corte para fabricación de riel chanel según el calibre. ............ 35
Tabla 3 Comparación de tiempo de corte de chapa metálica de acuerdo al equipo
utilizado y el calibre de lámina. ...................................................................................... 35
Tabla 4 Resumen de tiempo de fabricación de riel chanel.............................................. 36
Tabla 5 Especificaciones técnicas de la troqueladora. .................................................... 37
Tabla 6 Evaluación del estado de la troqueladora. .......................................................... 37
Tabla 7 Ventajas y desventajas del proceso actual de troquelado en la empresa PH&ES.
......................................................................................................................................... 38
Tabla 8 Promedio del tiempo de reglaje de la troqueladora para producción de riel
chanel en la empresa PH&ES ......................................................................................... 40
Tabla 9 Promedio de tiempo utilizado por los operarios en el troquelado de riel chanel
......................................................................................................................................... 41
Tabla 10 Promedio de tiempo muerto por lote de producción de riel chanel. ................ 41
Tabla 11 Promedio de unidades de riel chanel dañadas por lote de producción............. 42
Tabla 12 Costo de operación y utilidad para suplir la demanda actual de riel chanel en la
empresa PH&ES ............................................................................................................. 43
Tabla 13 Check list para generación de ideas ................................................................. 50
Tabla 14 Escala de ponderación de propuestas ............................................................... 54
Tabla 15 Evaluación de propuestas ................................................................................ 54
Tabla 16 Estimación del tiempo total del ciclo de operación del sistema alimentador .. 61
Tabla 17 Tabla de características del resorte seleccionado ............................................. 72
Tabla 18 Tiempo de troquelado con alimentador de chapa metálica .............................. 77
Tabla 19 Tiempo de producción de riel chanel con alimentador de chapa metálica ...... 78
Tabla 20 Costos de producción y utilidad mensual con el sistema de alimentación de
chapa metálica ................................................................................................................. 78
Tabla 21 Costo total de materiales del alimentador de chapa metálica .......................... 80
Tabla 22 Costo total del proyecto ................................................................................... 80
Tabla 23 Análisis comparativo de costos de producción y utilidad proceso actual vs
proceso mejorado ............................................................................................................ 80
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Tiempos utilizados por operario y día en el troquelado de riel chanel.
Anexo 2. Costos operativos y utilidad aproximada para la fabricación y venta de riel
chanel en la empresa PH&ES.
Anexo 3. Despliegue de la función de calidad QFD.
Anexo 4. Descomposición funcional del alimentador de chapa metálica.
Anexo 5. Seis sombreros para pensar.
Anexo 6. Jerarquización por subsistemas del alimentador de chapa metálica.
Anexo 7, Resultados más sobresalientes del método de combinación de conceptos.
Anexo 8. Afinidad de los conceptos seleccionados con respecto a los requisitos de
PH&ES.
Anexo 9. Nomogramas: Selección de cilindros neumáticos, selección de cilindro
neumático de accionamiento de pedal, estimación de carrera máxima por pandeo de
cilindro neumático de accionamiento de pedal, selección de cilindro pisador de chapa
metálica, selección de cilindro de avance de chapa metálica.
Anexo 10. Dimensiones y especificaciones de actuadores neumáticos y sus accesorios.
Anexo 11. Esquema neumático de funcionamiento del sistema de alimentación de chapa
metálica.
Anexo 12. Diagrama de lógica cableada del sistema de alimentación de chapa metálica.
Anexo 13. Planimetría.
Anexo 14. Especificaciones de materiales.
Anexo 15. Parámetros de diseño de resorte del sistema pisador auxiliar, parámetros de
diseño del resorte pisador del sistema pisador auxiliar, factores numéricos para cálculo
de índice del resorte, constantes para cálculo de índice del resorte, tabla de diseño de
resortes helicoidales.
Anexo 16. Costos operativos para la fabricación de riel chanel con la implementación
del sistema de alimentación de chapa metálica.
Anexo 17. Cotizaciones de componentes del sistema de alimentación de chapa metálica
(neumáticos y mecánicos).
11
GLOSARIO
Actuador: Dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza
para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador
puede provenir de tres fuentes: La presión neumática, la presión hidráulica, y la fuerza
motriz eléctrica.
Chapa metálica: Lámina delgada de metal que se utiliza para las construcciones
mecánicas, en este caso, la fabricación del riel chanel.
Costos operativos: Son los gastos que surgen de la operación de un negocio. Para el
presente proyecto, los costos operativos son todos aquellos rubros en que incurre la
empresa PH&ES para producir el riel chanel únicamente.
Diseño detallado: Fase del diseño en la que se elabora toda la información gráfica que
conduce a la fabricación. En este diseño se presentan todas las especificaciones,
criterios y forma de operación, así como las pruebas que deben ser controladas,
requerimientos y tratamientos del material para un completo y funcional ensamble del
proyecto.
Metodologías de diseño: Sistemas de acciones o formas de proceder que permiten
identificar y valorar los requisitos del cliente, conocer el producto y sistema productivo,
y estimar lo costos de las propuestas que se ajusten a las necesidades de cada proyecto.
Modularidad: Capacidad que tiene un sistema de ser estudiado, visto o entendido,
como la unión de varias partes que interactúan entre sí y que trabajan solidariamente
para alcanzar un objetivo común, realizando cada una de ellas una tarea necesaria para
la consecución de dicho objetivo.
PLC: Dispositivo electrónico que puede ser programado por el usuario y se utiliza en la
industria para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, ahorrando
costos en mantenimiento y aumentando la confiabilidad de los equipos.
Riel chanel: Riel utilizado para la instalación de bandejas y componentes, en repisas
metálicas, destinadas para uso eléctrico.
Sistema de alimentación: Dispositivo que permite el suministro de materia prima a una
máquina.
Troquelar: Imprimir y sellar en una pieza de metal por medio de un troquel.
Troquel: Pieza metálica con filo cortante que se utiliza para hacer figuras recortadas
Utilidad: Son las ganancias generadas por un negocio. En este proyecto se refiere a las
ganancias generadas por el riel chanel.
12
RESUMEN
El presente documento muestra el procedimiento de diseño de un alimentador de chapa
metálica como una opción a la optimización de tiempos de producción de riel chanel en
la empresa Gabinetes y racks PH&ES. Se aplican lineamientos de ingeniería de diseño,
estudio básico de tiempos, principios de estática, resistencia de materiales, dinámica de
cuerpos y los conocimientos adquiridos durante el desempeño profesional; enfocados en
desarrollo de equipos para el sector colombiano, procesos de manufactura, selección de
elementos normalizados, evaluación de presupuesto, entre otros.
El objetivo del proyecto es disminuir el tiempo de producción de riel chanel,
enfocándose en el proceso de troquelado, manteniendo los estándares de calidad que
caracterizan los productos fabricados por la empresa PH&ES y reduciendo el riesgo de
accidente.
Los alimentadores de chapa metálica facilitan la operación de múltiples operaciones de
la industria, en este caso, el troquelado de los rieles chanel. A partir de las necesidades
identificadas para el proceso con el personal vinculado a la empresa, se diseña un
sistema mediante la evaluación de distintas soluciones, teniendo en cuenta las
condiciones presupuestales, facilidad de montaje (modularidad) y operativa, aumento de
la eficiencia del proceso, independientemente de la experiencia del operario, reducción
de tiempos muertos y protección del usuario.
Después se presenta la información recopilada para la evaluación del proyecto y se
explica la forma en la cual se usó para la toma de decisiones.
Finalmente, se muestra la forma en que se cumplieron los objetivos planteados
inicialmente y las conclusiones obtenidas.
13
INTRODUCCIÓN
El auge de la industria metalmecánica colombiana está aumentando, por tal motivo, las
empresas deben ser competitivas y sobresalir frente a las demás si desean permanecer
activas en el mercado actual, los bajos niveles de producción, elevados costos
operativos y las innumerables deficiencias de calidad, son los factores que más afectan a
las empresas. La automatización de procedimientos es una alternativa para solucionar o
amortiguar estos problemas, permitiendo minimizar tiempos y reducir costos a partir de
una inversión e incluso mejorar la calidad de los productos.
Hoy en día existen muchas formas de alimentación de chapa metálica que se aplican de
forma eficiente a las necesidades específicas de cada empresa, definidas para
aplicaciones múltiples y grandes rangos de operación en cuanto a espesor de lámina,
ancho admisible y paso, sin embargo, las PYMES siguen llevando a cabo este proceso
de forma manual. PH&ES desea automatizar su línea de producción con un equipo que
les permita reducir los tiempos de troquelado de chapa metálica en un 40%, sin
sacrificar la calidad del producto o hacer una mala inversión económica.
Por tanto, este proyecto nace de la búsqueda de mejora continua en la empresa PH&ES
para optimizar sus procesos, ser más eficientes en la entrega de productos a sus clientes
y la identificación del riesgo en el cuál se encuentran los colaboradores de la misma al
llevar a cabo el procedimiento de troquelado de chapa metálica. Todas las decisiones de
diseño se fundamentan en los estudios de ingeniería realizados y la experiencia de los
operarios y directivos, teniendo como premisa la viabilidad del proyecto frente a las
condiciones físicas, espaciales y económicas definidas por PH&ES. La solución al
problema planteado es una tarea compleja ya que involucra investigación, estudio de las
condiciones específicas de la empresa y competencias en diseño y desarrollo de
sistemas mecánicos automatizados.
El alcance definido del proyecto es presentar múltiples opciones para solucionar la
problemática y evaluar que se ajusten a las limitantes y condiciones manifestadas por
quienes solicitaron el desarrollo del proyecto, justificar las decisiones de diseño, definir
materiales y procedimientos de fabricación de las piezas, entrega de modelos detallados
en 3D y planos de fabricación que permitan ejecutar el proyecto y/o modificarlo en el
momento que sea requerido por PH&ES.
14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
GABINETES Y RACKS PH&ES es una empresa colombiana ubicada en el mercado
desde el 3 de julio de 2015, se dedica a la fabricación de estructuras metálicas aplicadas
en instalaciones eléctricas (a partir de ahora EMAIE), como los son gabinetes, racks,
canaletas para cableado tipo escalera, bandejas porta cable y demás. Sus instalaciones se
encuentran en la ciudad de Bogotá, específicamente en la Carrera 13ª N° 19-40. El
principal objetivo de la empresa es satisfacer la demanda de las estructuras en el sector
de instalaciones eléctricas y de redes del país, inicialmente abarcando el mercado local
de la ciudad de Bogotá.
En el campo de las EMAIE, el riel chanel se utiliza como soporte de bandejas y
componentes en las repisas metálicas, esto con el fin de facilitar el ensamble de partes y
disminuir el uso de uniones soldadas. Es una pieza metálica en forma de canal, con una
matriz de ranuras iguales y equidistantes que normalmente se hacen bajo el proceso de
troquelado de chapa metálica. La empresa en cuestión lleva a cabo este proceso de
forma manual y dispone de una persona que se encarga de llevar a cabo la operación de
troquelado de las ranuras en una tira de material que después de otros procesos de
manufactura se transforma en el canal metálico. Basados en la demanda de este
componente en el comercio local y en el uso para la producción de EMAIE, la entidad
desea reducir los tiempos en un 40% de este proceso y minimizar el peligro de
accidentes por atrapamiento mecánico por la interacción continua del operador con la
prensa, así como el riesgo a largo plazo de esta labor repetitiva.
El problema se puede describir como la reducción en el tiempo de producción de un
componente estructural de alta demanda en el proceso productivo de la empresa, este
tiempo oscila entre cinco a seis minutos y dependen de la experiencia o agilidad en la
manipulación directa del operario, una persona nueva en el proceso puede tardar hasta
ocho minutos, con esta medición de tiempos se determinó que una persona capacitada
podría llegar a troquelar doce tramos de riel chanel en una hora, mientras que un
aprendiz procesaría siete en el mismo periodo de tiempo.
Se pretende generar el diseño de un dispositivo mecánico que permita minimizar los
tiempos de troquelado del riel chanel en un 40% inicialmente, es decir, obtener tiempos
en el proceso de troquelado de tres minutos independientemente si la operación la
ejecuta una persona sin experiencia. Esto tendría una proyección de ocho unidades
adicionales en el lapso de una hora, teniendo como referencia la manipulación por parte
de un operario calificado. Para una persona sin experiencia facilitaría su trabajo y
mejora la producción en trece unidades. Teniendo en cuenta esta reducción de tiempos
se puede llegar a cumplir con la demanda insatisfecha de riel chanel para los clientes de
la empresa, se puede evitar la manipulación directa del operario en el troquel, sin
importar su experiencia en el proceso y se reduce el tiempo diario de trabajo repetitivo.
15
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo general
● Diseñar un alimentador de chapa metálica que se adapte a la prensa de
troquelado existente en la empresa GABINETES Y RACKS PH&ES, con el fin
de reducir los tiempos de troquelado de riel chanel en un 40%.
1.1.2. Objetivos específicos
● Hacer una evaluación preliminar del proceso de fabricación de riel chanel,
enfocado a la etapa de troquelado.
● Establecer tiempos promedio de reglaje de la troqueladora, fabricación de riel
chanel y tiempos muertos involucrados en el proceso.
● Evaluar los costos operativos de fabricación de riel chanel actuales y
compararlos con los resultados de la propuesta seleccionada.
● Plantear posibles soluciones al problema de tiempos de producción de riel
chanel en la empresa GABINETES Y RACKS PH&ES, y seleccionar la más
favorable de acuerdo a las necesidades de la entidad.
● Implementar metodologías de diseño que permitan diseñar el alimentador de
acuerdo a las necesidades identificadas.
● Elaborar los planos de fabricación y ensamble del dispositivo de alimentación
16
2. GENERALIDADES DE LA EMPRESA
GABINETES Y RACKS PH&ES es una empresa colombiana del sector industrial
ubicada en el mercado desde el 3 de julio de 2015. Se dedica a la fabricación de
estructuras metálicas utilizadas en instalaciones eléctricas (gabinetes, racks, canaletas
para cableado tipo escalera, bandejas porta cable y demás).
Sus instalaciones se encuentran en la ciudad de Bogotá, en la Carrera 13ª N 19-40.
Ilustración 1 Ubicación de la empresa PH&ES
Fuente: Google maps.
2.1. Misión
Satisfacer la demanda de estructuras utilizadas para instalaciones eléctricas, a través de
la fabricación y comercialización de sus productos, garantizando el bienestar de los
miembros de la organización y mejorando la rentabilidad.
2.2. Visión
Para el año 2020, estar dentro de las empresas líderes del mercado nacional en el sector
de estructuras metálicas utilizadas en instalaciones eléctricas, contando con un gran
portafolio de productos certificados y estandarizados, con personal calificado y
conciencia de excelente servicio al cliente.
2.3. Organigrama
La empresa está conformada por 12 personas, tal como se muestra en el siguiente
organigrama.
17
Ilustración 2 Organigrama general de la empresa PH&ES.
Fuente: Autores.
18
3. MARCO TEÓRICO
3.1. CHAPA METÁLICA
La chapa metálica se puede describir como un metal más delgado que la placa de metal,
pero más grueso que la hoja o lámina.
En el conformado de chapa metálica, la forma final de una pieza se hace a partir de una
chapa metálica plana. La forma deseada se consigue a través de la deformación plástica,
sin sufrir ningún mecanizado como el fresado. En muchos casos, una cierta cantidad de
deformación elástica deriva en springback que sucede cuando el conformado está
completo.1
Ilustración 3 Chapa Metálica
Fuente: chapa metálica. 2017. Disponible en
http://www.panelsandwichmurcia.com/index.php/productos/chapa-metalica.
Según la DIN 8582, el proceso se divide según la tensión que suele aparecer en la hoja:
➢ Conformado bajo condiciones de compresión.
➢ Conformado bajo la combinación de condiciones de resistencia y compresión.
➢ Conformado bajo condiciones de resistencia.
➢ Conformado bajo condiciones de doblado.
➢ Conformado bajo condiciones de cizallamiento.
➢ El conformado de la hoja puede realizarse usando herramientas mecánicas, con
aire o líquidos, magnéticamente o con explosivos. Procesos especiales de
conformado de chapa metálica incluyen conformado súper plástico y press
hardening, así como el conformado en caliente de aluminio y magnesio.
1 AUTOFORM ENGINEERING GMBH. Conformado de chapa metálica. {En línea}. {17 febrero de 2017}. Disponible en http://www.autoform.com/es/glosario/conformado-de-chapa-metalica/http://www.autoform.com/es/glosario/conformado-de-chapa-metalica/
19
3.2.PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA
Ésta puede ser moldeada y formada dependiendo del uso que se le vaya dar, y
normalmente está fabricada mediante los procesos de embutición profunda o laminación
plana2.
3.2.1. Laminación plana
En este proceso el metal se alimenta mediante un rodillo que reduce el espesor del
metal, permitiendo hacer grandes piezas de chapa metálica y producir gran variedad de
espesores. Dependiendo del espesor que se requiera, éste debe alimentarse mediante
muchos rodillos para hacerlo suficientemente plano. En la mayoría de los casos, los
rodillos se accionan mecánicamente y deben ejercer fuerzas muy grandes que produzcan
láminas metálicas uniformes.
3.2.2. Embutición profunda
Es uno de los métodos más comunes de fabricación de láminas de metal, y consiste en
hacer presión en el metal hasta que su espesor se reduce lo suficiente. Mediante el uso
de un punzón que ejerce una cantidad calculada de energía en el metal.
Cada punzón, generalmente, sólo comprime un cierto tamaño de metal, por lo que se
utilizan varios tamaños de prensa para la fabricación de diferentes tamaños de chapas
metálicas. Los punzones pueden ser de accionamiento hidráulico o conducidos por otros
medios mecánicos. Sin embargo, para cambiar el grosor de la chapa metálica que se está
fabricando, el punzón debe tener presiones ajustables. Este proceso reduce el espesor
del metal mientras aumenta sus otras dos dimensiones, lo que crea una hoja de metal sin
pérdida de material.
3.3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA
3.3.1 Troquelado.
Operación mecánica que se realiza en frío, mediante unas herramientas de corte
llamados punzones y el conjunto de una prensa en el cual se posiciona un troquel o
matriz, existen diferentes tipos de deformación plástica en este proceso, como
perforaciones, doblado (deformaciones permanentes), embutido, estampado, corte entre
otros, en este proceso no se modifica la masa ni la composición química de las piezas,
las ventajas de este proceso son grandes capacidades de producción, al ser un proceso
en serie tiene bajo costo de fabricación y se consigue la misma calidad en todas las
piezas.
2CANTELI, J.A, CANTERO, J.L, MIGUÉLEZ, M.H. Diseño Orientado a la fabricación. Universidad Carlos III Madrid. Disponible en http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/sistemas-de-produccion-y-fabricacion/material-de-clase-1/tema-7
20
3.3.2. Tipos de troqueles
Se consideran dos tipos de troqueles, los troqueles simples y los troqueles progresivos,
los primeros realizan una operación en la misma hoja con un solo recorrido, se
encuentra limitado a formas relativamente simples, son procesos relativamente lentos y
presenta costos elevados de la matriz cuando son complejas. En la ilustración 4 se puede
observar un troquel simple y sus partes más representativas que componen el conjunto
para realizar un agujero en la cinta o tira de material.
Ilustración 4 Troquel Simple
Fuente: GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
Los troqueles progresivos tienen el mismo principio de los troqueles simples, pero estos
realizan dos o más operaciones en la lámina con cada golpe de la prensa y están
compuestos por varias estaciones realiza diferentes operaciones con el requerido
avance. En la ilustración 5 se realiza punzonado, muescado, doblado y perforado,
cuando la chapa llega a la última posición se encuentra separada y completa de la
lámina.
Ilustración 5 Troquel Progresivo
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.3.3. Prensa
Las prensas que se usan para el trabajo de láminas metálicas son máquinas herramienta
que tienen una mordaza fija y un pistón que se desplazada de arriba hacia abajo para
realizar las operaciones de corte, el punzón siempre se fija a la parte móvil y la matriz a
21
la sección estacionaria que lleva el nombre de placa transversal, estas máquinas son
accionadas mediante fuerza mecánica o hidráulica, se diferencian por la capacidad que
es la disposición para manejar la fuerza y la energía para realizar el trabajo de
troquelado determinando su tamaño físico y la velocidad de producción, el sistema de
potencia es la clase de fuerza que usa y la forma en la que es trasmitida a la parte móvil
de la máquina y la forma del armazón se refiere a la construcción física de la prensa, las
formas más comerciales son de escote o en “C” y de lados rectos, en la ilustración 6 se
pueden observar los componentes de una prensa troqueladora típica accionada por una
transmisión mecánica.
Ilustración 6 Esquema Prensa Mecánica
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.4. ALIMENTADORES DE CHAPA PARA PRENSA
En el mercado actual existen diferentes tipos de mecanismos para alimentar la tira de
lámina en el troquel y le da el avance requerido para el proceso, el objetivo es poner en
marcha una estrategia de fabricación para producir más y mejor, como primer ejemplo
están los alimentadores de última generación dotados de un servomotor y un control
numérico computarizado que realiza una elevada precisión de avance de la lámina, se
usan en prensas automáticas y están diseñados para materiales blandos, hay de os tipos
de arrastre, el de alimentación por pinzas y el de banda de rodillo, son graduables
automáticamente a cualquier espesor de chapa y se pueden combinar con cualquier tipo
de prensa. En la ilustración 7 se puede observar un alimentador de pinzas, cortesía de
BRUDERER y en la ilustración 8 un alimentador de banda de rodillos, según su
fabricante son equipos modulares y de fácil mantenimiento.
Ilustración 7 Alimentador de Pinzas
Fuente: BRUDERER AG. Alimentadores de banda. 2017. Disponible en:
<http://www.bruderer.com/uploads/tx_webruderer/Alimentadores_de_banda.pdf >
22
Ilustración 8 Alimentador de Rodillos
Fuente: ALIMENTADORES DE BANDA. 2017 Disponible en:
http://www.bruderer.com/uploads/tx_webruderer/Alimentadores_de_banda.pdf
Los modelos anteriores son los más sofisticados, en el mercado también se encuentran
otros tipos de modelos que ofrecen más versatilidad, porque la chapa puede ser
alimentada en diferentes ángulos y direcciones, se ajusta a diferentes espesores de chapa
así como el ancho de la tira de material, con capacidad de dos tiras simultáneamente,
según su fabricante pueden llegar a ser un 90% más económico esto lo hace una mejor
opción, es un equipo de fácil instalación, adaptable a cualquier prensa, de tamaño muy
compacto, además presenta mordazas modificables para adaptar cualquier tipo de perfil
sin importar el material, este equipo basa su automatización en válvulas de control que
se sincronizan con el sistema de potencia de la prensa. Para las prensas mecánicas se
usan varios tipos de mecanismos de transmisión, pueden ser excéntrico, con eje
cigüeñal y de junta de bisagra, transformando el movimiento rotatorio del motor de la
máquina en un movimiento lineal, gracias al volante almacenan la energía del motor que
es utilizada para el proceso de troquelado. En la ilustración 9 se presenta de izquierda a
derecha los tipos de mecanismos, desde estos elementos se realiza la sincronización de
alimentación al ciclo de prensa gracias a una válvula vertical, este montaje se presenta
en ilustración 10, gracias a esto se inicia la secuencia de alimentación automática
respecto al movimiento del cabezal móvil.
Ilustración 9 Sistemas de Potencia Mecánica
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México.
McGraw Hill, 2007, 1038p.
23
Ilustración 10 Operación Automática por Leva Lineal
Fuente: BRUDERER AG. Alimentadores de banda. 2017. Disponible en:
<http://www.bruderer.com/uploads/tx_webruderer/Alimentadores_de_banda.pdf >
3.5. DISEÑO MECÁNICO
El diseño en ingeniería mecánica se dedica en gran medida al cálculo de
transmisiones y elementos mecánicos. Aun cuando esta parte es de vital
importancia, no deja de ser un paso dentro del proceso total de diseño. La
integración del proceso mediante un método general permite al estudiante
tener una visión más exacta del diseño, integrar los conocimientos
adquiridos y aplicar un método. Al diseñador le ofrece la oportunidad de
salirse de la forma empírica, muchas veces utilizada, al emprender un
problema de diseño, y seguir un procedimiento más confiable3.
3.5.1. Fases del diseño mecánico
GARCÍA presenta un modelo básico y funcional de las fases de diseño mecánico.
Ilustración 11 Fases de diseño mecánico
Fuente: GARCÍA, Guillermo. 2017. Un proceso general de diseño en Ingeniería
Mecánica. Disponible en https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4902645.pdf
3 GARCÍA, Guillermo. Un proceso general de diseño en Ingeniería Mecánica. Revista Ingeniería e investigación. Illinois. S.f. P.35. {En línea}. {11 febrero de 2017}. Disponible en https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4902645.pdf
24
3.5.2. Elementos comunes en el diseño mecánico
En el diseño mecánico existen elementos comunes que se clasifican en mecánicos,
hidráulicos, neumáticos y eléctricos.
Para el presente proyecto se da una mayor relevancia a los sistemas mecánicos y
neumáticos, puesto que son los que se aplican al diseño del sistema de alimentación de
chapa metálica.
3.5.2.1. Sistemas mecánicos4
Estos elementos son todas aquellas piezas que constituyen los elementos de las
máquinas.
Los elementos constitutivos forman la estructura y la forma de la máquina, como por
ejemplo la bancada, el bastidor, los soportes y los carros móviles.
Los elementos de unión son aquellos que unen los diferentes elementos que conforman
la máquina. Hay dos tipos de elementos, de unión fija como los remaches y la
soldadura, y de unión removible como tornillos, pasadores, grapas y presillas.
Los elementos de trasmisión, como su nombre indica, trasmiten el movimiento y lo
regulan o modifican según sea el caso. Entre éstos se tienen los árboles de trasmisión,
engranajes, husillos, cadenas y correas y balancines.
Y finalmente, se tienen los elementos de pivotar y rodadura que permiten el giro,
deslizamiento o el pivotaje de los elementos móviles de la maquina sin mayor desgaste
o producción de calor, como cojinetes, rodamientos, resbaladeras y quicionera.
3.5.2.2. Elementos neumáticos
Los elementos neumáticos de una máquina funcionan, hacen funcionar o están
regulados por aire comprimido. Se cuenta para esto con válvulas, cilindros neumáticos y
turbinas neumáticas. En la sección 3.7 se amplía la información de los elementos
inherentes al proyecto.
3.6. AUTOMATIZACIÓN
La automatización se refiere al uso de sistemas donde se transfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de
elementos tecnológicos que tiene como propósito el conferir un valor agregado a las
materias de obra con las que operan.5
4 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR. Elementos de máquinas. {En línea}. {19 marzo 2017}. Disponible en http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/clasificacin_de_elementos_de_una_maquina.doc. 5 SENA. Introducción a los sistemas automatizados: Generalidades.
25
Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al automatizar, de no
cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la automatización, y por tanto
no se podría obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los
siguientes:
➢ Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en un
ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina de
revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de pozos a
tierra para los instrumentos.
➢ Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le permite
crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para atender las
operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la automatización.
➢ Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un grupo de
personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte técnico
adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable.
➢ Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones
internacionales. Esto garantiza la interconectividad y compatibilidad de los
equipos a través de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad
de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.
Los componentes de un sistema automatizado se clasifican en: Elementos de control,
máquinas, pre actuadores, actuadores, sensores, interfaz hombre – mando.
Así mismo tienen dos componentes fundamentales: La parte de mando que es la
estación central de control o autómata, por tanto, es el elemento principal del sistema,
encargado de la supervisión, manejo, corrección de errores, comunicación, etc.; y la
parte operativa que es la parte que actúa directamente sobre la máquina, por tanto, son
los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las acciones, como por
ejemplo, los sensores y los actuadores en motores, cilindros, compresoras, bombas,
relés, etc.
3.7. PRINCIPIOS DE NEUMÁTICA
Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es
necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas esta la neumática, que
constituye el primer paso para transformar la mecanización en automatización.6
Si bien la utilización de la técnica del aire comprimido como fuente energética es
empleada, cada vez más, para la racionalización y automatización, ésta es relativamente
cara y podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y
distribución del aire involucran gastos elevados.
El aire comprimido puede utilizarse directamente, como elemento de trabajo; para
accionamiento de motores, embragues, cilindros o herramientas; regulado por medio de
válvulas y elementos accesorios, para impulsar una gran variedad de movimientos
mecánicos; en combinación con equipos oleo hidráulicos, para obtener con un coste
6 MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de 2017}. Disponible en http://www.microautomacion.com/files/flyer021_dic.2012_noa.pdf.
26
reducido ciclos de trabajo precisos en bajas velocidades; con la electricidad, para
accionamientos a larga distancia y para los movimientos rotativos.
3.7.1. Actuadores neumáticos: Cilindros
Los cilindros son actuadores de acción lineal que transforman la energía del aire
comprimido en trabajo mecánico.
3.7.1.1. Tipos de cilindros neumáticos
Los cilindros más utilizados son los cilindros de simple efecto y de doble efecto.
➢ Cilindro de simple efecto: Uno de sus movimientos está gobernado por el aire
comprimido, mientras que el otro se da por una acción antagonista,
generalmente un resorte colocado en el interior del cilindro. Realiza trabajo
aprovechable, sólo en uno de los dos sentidos, y la fuerza obtenida es algo
menor a la que da la expresión F = P x A, pues hay que descontar la fuerza de
oposición que ejerce el resorte.
➢ Cilindro de doble efecto: En este modelo de cilindro, las carreras de avance y
retroceso se consiguen por medio de la presión del aire comprimido en cualquier
lado del émbolo, es decir, el aire comprimido ejerce su acción en las dos
cámaras de cilindro.
3.7.2. Válvulas neumáticas
Se denomina válvula a una pieza que sirve para cerrar o abrir un orifico o
conducto, o para interrumpir la comunicación entre dos órganos.
En neumática, la válvula es el elemento de mando que determina las
características del circuito, debiendo poseer cualidades decisivas para
actuar sobre los elementos o parámetros que intervienen en el proceso
operativo del circuito neumático.
Las válvulas neumáticas son los dispositivos que dirigen y regulan el aire
comprimido; gobiernan la salida y la entrada, el cierre o habilitación, la
dirección, la presión y el caudal de aire comprimido. Pudiendo en general
clasificarse como válvulas direccionales o auxiliares.7
Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las válvulas
neumáticas se clasifican en los siguientes grupos:
7MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de
2017}. Disponible en http://www.microautomacion.com/files/flyer021_dic.2012_noa.pdf.
27
➢ Válvulas de control de dirección
➢ Válvulas de control de caudal
➢ Válvulas de control de presión
3.7.2.1. Criterios de selección de válvulas
Para llevar a cabo la elección de una válvula neumática, es conveniente recurrir a
ciertos criterios de selección, que posibilitarán la siguiente clasificación:
➢ Número de Vías: De esta forma llamaremos al número de orificios
controlados en la válvula, exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener 2,
3, 4, 5 ó más vías (no es posible un número de vías inferior a 2).
➢ Posiciones: Es el número de posiciones estables del elemento de
distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4 ó más posiciones (no es
posible un número de posiciones inferior a 2).
➢ Caudal: Es el volumen de fluido que pasa por determinado
elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se calcula a partir del flujo,
volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
➢ Sistemas de accionamiento: Una característica importante de toda
válvula es su clase de accionamiento o mando, debido a que de acuerdo con
ello, dentro de la cadena de mando de un equipo neumático, se la empleará
como elemento emisor de señal, órgano de control o de regulación.
3.8. TÉCNICAS DE CREATIVIDAD
3.8.1. Lluvia de ideas
Sus objetivos principales son romper las limitaciones habituales del pensamiento y
producir un conjunto de ideas entre las que poder escoger. La lluvia de ideas es útil para
atacar problemas específicos (más que los generales) y allí donde hace falta una
colección de ideas buenas, nuevas y frescas (más que no donde hace falta juicio o
análisis para decidir).
3.8.2. Lista de atributos
Mediante este método se identifican los atributos de un producto, servicio o proceso,
con la finalidad de considerarlos cada uno como una fuente de modificación y
perfeccionamiento. Se pueden hacer listas de características físicas, usos, sinónimos,
antónimos, partes, connotaciones, etc. Los atributos pueden ser muy numerosos hasta
hacer difícil su tratamiento, lo que obliga a reducir su número. Por esto, el método
distingue los atributos esenciales del resto, para quedarse sólo con los primeros.
28
3.8.3. Seis sombreros para pensar
En ésta técnica existen seis sombreros imaginarios, cada uno de un color diferente. En
cualquier momento un pensador puede escoger ponerse uno de los sombreros o se le
puede pedir que se lo quite. Todas las personas de la reunión pueden usar un sombrero
de un color concreto durante un tiempo en un momento determinado. Los sombreros
involucran a los participantes en una especie de juego de rol mental.
3.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD “QFD”
El despliegue de la función de calidad (o QFD, por sus siglas inglesas) es un método de
diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y
las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias.
3.10. DISEÑO CONCEPTUAL
El diseño conceptual emplea relativamente pocos recursos y tiempo del desarrollo del
producto, sin embargo, define en gran medida la calidad y los costos finales del
producto.
Ilustración 12 Diseño conceptual
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos.
Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. PhD. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1. Análisis funcional
3.10.1.1. Modelo de caja negra
En éste modelo las funciones expresan QUÉ debe hacer el producto y la estructura o
formas, expresan CÓMO el producto desarrollará las funciones. El método de la caja
negra es cualquier proceso o mecanismo cuya forma de actuar no es comprendida, ni
accesible al usuario. El enfoque de la caja negra para solucionar problemas es un
método simple, pero eficaz e importante para solventar problemas complejos.
29
Ilustración 13 Modelo de caja negra
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos.
Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. Ph.D. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1.2. Modelo de caja gris
Para este modelo se toma como punto de partida los resultados de la caja negra. Las
funciones hacen alusión a las acciones que se llevan a cabo dentro del producto sobre
los materiales, energía o información, y no deben restringir los tipos de solución
(conceptos) que puedan desarrollarla.
30
4. ESTUDIO PRELIMINAR
4.1. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA (PRIMER NIVEL)
A continuación, se muestra la distribución del primer nivel de la planta de producción.
En esta zona se llevan a cabo los procesos de manufactura necesarios para producir el
riel chanel. El segundo nivel no se muestra ya que allí se llevan a cabo los procesos de
limpieza de materia prima, procesos de soldadura y pintura electrostática, los cuales no
son relevantes para el objetivo planteado en el proyecto.
Ilustración 14 Distribución del primer nivel de la planta de producción de la empresa
PH&ES (medidas en metros)
Fuente: Autores
4.2. EL RIEL CHANEL
Esta clase de riel es utilizado para la instalación de bandejas y componentes, en repisas
metálicas destinadas para el uso eléctrico, dicho riel tiene las siguientes características:
31
Ilustración 15 Modelo en tres dimensiones de un tramo de riel chanel.
Fuente: Autores.
Tabla 1 Características del riel chanel
MATERIAL ACERO GALVANIZADO CR
DIMENSIÓN DE LA
MATERIA PRIMA 1,22m X 2,44m
DIMENSIÓN DEL
PRODUCTO (mm)
CANTIDAD DE RANURAS
DEL RIEL 42 RANURAS
MASA DEL RIEL
Fuente: Autores.
4.3. PROCESO DE FABRICACIÓN
4.3.1. Equipos requeridos para el proceso
A continuación, se presentan cada uno de los equipos existentes en PH&ES y que se
utilizan en el proceso de fabricación del riel chanel.
32
4.3.1.1. Cortadoras de lámina metálica
Estos equipos sirven para cortar la materia prima de acuerdo a las dimensiones de
desarrollo del riel chanel.
Ilustración 16 Cortadora manual de lámina metálica.
Fuente: Autores.
Ilustración 17 Cortadora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.1.2. Troqueladora y troquel de ranura riel chanel.
Durante el proceso de fabricación de riel chanel, se requiere hacer uso de esta máquina
para perforar las tiras de lámina metálica.
33
Ilustración 18 Troqueladora de 30 Ton
Fuente: Autores.
Ilustración 19 Troquel para ranura de riel chanel
Fuente: Autores.
4.3.1.3. Dobladora de lámina metálica
Las dobladoras de lámina se utilizan en la manufactura de riel chanel, para dar la forma
característica del producto.
34
Ilustración 20 Dobladora manual de lámina metálica
Fuente: Autores.
Ilustración 21 Dobladora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.2. Descripción del proceso de fabricación
A continuación, se muestra el diagrama de fabricación de riel chanel.
35
Ilustración 22 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de riel chanel
PROCESO DE FABRICACIÓN DE
RIEL CHANEL
Corte de materia
prima
Troquelado de
ranuras
Doblado de riel
Fuente: Autores.
4.3.2.1. Primera etapa: El corte
De acuerdo al espesor que se utilice, se deben cortar tiras de 2,44m con las siguientes
dimensiones.
Tabla 2 Dimensiones de corte para fabricación de riel chanel según el calibre.
Calibre Ancho de
corte (mm)
Cantidad de tiras
obtenidas por lámina
Retal
(mm)
14 86 14 16
16 89,5 13 56,5
18 93 13 11
20 95,5 12 74
Fuente: Autores.
El tiempo que tarda una persona experimentada en cada corte es de 5 segundos si el
proceso se ejecuta con la cortadora eléctrica. Si se hace en la cortadora manual, el
tiempo se duplica, por tanto, el lapso temporal de corte de una lámina completa, y para
cada espesor es el siguiente.
Tabla 3 Comparación de tiempo de corte de chapa metálica de acuerdo al equipo
utilizado y el calibre de lámina.
Calibre Tiempo de corte en equipo
eléctrico (s)
Tiempo de corte en equipo
manual (s)
14 70 140
16 65 130
18 65 130
20 60 120
Fuente: Autores.
En los datos presentados no se tiene en cuenta el tiempo de montaje de lámina y se
tienen en cuenta condiciones ideales del estado del operario y de la lámina.
36
4.3.2.2. Segunda etapa: El troquelado
El proceso se lleva a cabo de forma manual. Se instala un tope sobre el cual el operario
desplaza la tira metálica, y otro que define el paso de troquelado.
Al tener las tiras de material listas, el operario debe adaptar el troquel de ranura chanel
en la prensa. Se emplean 6 minutos para el montaje y reglaje del troquel en la máquina.
El tiempo total que gasta un operario experimentado para troquelar una tira de 2,44m de
longitud, es de 5 minutos. Esto quiere decir que, para troquelar cada ranura, el tiempo
necesario es de aproximadamente 7 segundos.
Una persona sin experiencia puede tardar hasta 10 minutos, es decir, 14 segundos por
cada ranura.
4.3.2.3. Tercera etapa: El doblado
Para obtener un riel chanel se requieren 4 dobleces que se deben hacer entre dos
personas debido a la longitud de la tira de material. Cada tira de material se marca con
las líneas de doblez con ayuda de un rayador metálico. Esta operación requiere
alrededor de 8 segundos. Para ejecutar cada doblez se requiere de 5 segundos, lo que
arroja un total de 20 segundos para la etapa de doblado. Esta es la última fase de
fabricación del riel Chanel.
A continuación, se presentan los tiempos de fabricación para una tira de riel chanel
cuando el proceso es ejecutado por una persona con experiencia en el equipo eléctrico,
no se tiene en cuenta el tiempo de montaje y reglaje del troquel en la troqueladora ni el
tiempo muerto del proceso (alistamiento de materia prima, movilización entre
máquinas, etc.).
Tabla 4 Resumen de tiempo de fabricación de riel chanel.
Tiempo de
corte (s)
Tiempo de
troquelado (s)
Tiempo de
marcas de
doblado (s)
Tiempo de
doblado (s)
Tiempo
total (s)
5 300 8 20 333
Fuente: Autores.
Debido a que el objetivo principal de este trabajo es reducir en un 40% el tiempo de
troquelado, puesto que es la etapa de producción de riel chanel que toma mayor tiempo
(90% del tiempo total), se calcula que el tiempo de troquelado que se debe conseguir
con la máquina diseñada debe ser máximo de 180 segundos.
4.3.3. Especificaciones de la troqueladora
A continuación, se presentan las características técnicas de la prensa hidráulica existente
para ejecutar las labores de troquelado en la empresa PH&ES..
37
Tabla 5 Especificaciones técnicas de la troqueladora.
Presión nominal 30 toneladas
Golpes por minuto 150 golpes
Carrera del carro 50mm
Profundidad de la garganta 470mm
Distancia del piso a la mesa de trabajo 850mm
Tipo de embrague topes y cuña
Motor 2 HP / 220v / 1140 RPM / trifásico
peso total aproximado 1100 kg
Fuente: Autores.
Se evalúa el estado general del equipo para verificar que no existan problemas que
impidan el correcto cumplimiento del objetivo principal planteado en el proyecto. Los
resultados obtenidos se presentan a continuación.
Tabla 6 Evaluación del estado de la troqueladora.
Estado de sistema hidráulico BUENO
Estado de conexiones eléctricas BUENO
Ajuste del carro BUENO
Lubricación REGULAR
Estado de las correas de transmisión REGULAR
Estado del pedal de accionamiento BUENO
Estado del troquel BUENO
Pintura BUENO
Fuente: Autores.
Se recomienda llevar a cabo una lubricación periódica del equipo según las indicaciones
del proveedor, además hacer el cambio de las correas de transmisión, ya que su estado
puede interferir en la operación normal y conducir a un riesgo en la seguridad de los
operarios.
4.3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO ACTUAL DE
TROQUELADO
Observando el proceso de fabricación de riel chanel se evidencian las siguientes
ventajas y desventajas.
38
Tabla 7 Ventajas y desventajas del proceso actual de troquelado en la empresa PH&ES.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Menor tiempo de
"distracción" del
operario
Desgaste físico y mental
del operario
Control de calidad
en cada troquelado
Probabilidad de accidente
del operario
Tiempo moderado
de producción
Estándar de tiempo de
producción variable de
acuerdo al operario
Mayores costos operativos
Mayor probabilidad de
error
Fuente: Autores.
4.3.5. Riesgos laborales de un operario al troquelar
En el entorno industrial los operarios se exponen a diferentes riesgos que despenden de
la tarea que desarrollen. Para el caso de una persona dedicada a troquelar en la empresa
PH&ES, tenemos:
- Riesgo de amputación y/o corte con el troquel.
- Riesgo de alergias por fibras.
- Riesgo de lesiones dorso lumbares por manipulación del troquel o acciones
repetitivas.
- Riesgo de atrapamiento con la prensa o las partes móviles de la máquina.
- Riesgo de exposición a ruido.
4.3.5.1. Recomendaciones actuales de seguridad
Uso de guantes adecuados.
- Manipulación del equipo sin influencia de sustancias embriagantes y/o
alucinógenas.
- Uso de gafas, tapa oídos y mascarilla de seguridad.
- Uso de botas de seguridad.
4.3.6. Disponibilidad operativa
En la etapa de fabricación de riel chanel, PH&ES cuenta con la colaboración de 9
personas, el jefe de planta, 2 soldadores, 4 personas encargadas de corte, doblez y
troquelado; 1 persona encargada de la limpieza de la materia prima y 1 pintor.
Para la producción continua de riel chanel, se requiere de 4 personas, 1 en la zona de
corte, 1 ejecutando la operación de troquelado y 2 realizando los dobleces.
39
Debido a que el troquelado es la operación que más tarda, ocasiona acumulación en la
zona de corte y retraso en la operación de doblado. Este es otro de los escenarios
críticos de producción.
4.4. ESTUDIO DE LA DEMANDA ACTUAL Y PROYECCIÓN A CORTO
PLAZO.
4.4.1. Demanda actual del producto en estudio.
Actualmente, la demanda de riel chanel mensual en PH&ES, se encuentra en un
promedio de 1200 unidades8. El tiempo que toma la fabricación de esta cantidad de riel
chanel, evaluado bajo las condiciones presentadas en el apartado 1.4.2. sería:
1200 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 ∗ 333 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 399600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 111 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Teniendo en cuenta que el periodo laboral diario es de 8 horas, se necesitarían casi 14
días para culminar el trabajo, de los cuales 12 días corresponden a labores de
troquelado.
Si se tienen en cuenta los tiempos muertos, rotación de trabajos y labores de reproceso,
el tiempo de producción de esta cantidad de riel, asciende a 18 días.
Al reducir el tiempo de troquelado en un 40%, esta demanda se puede suplir en 72
horas, es decir 9 días aproximadamente, de los cuales 7,5 días corresponderían a labores
de troquelado.
8 Dato suministrado por el departamento comercial de la empresa, y verificado con las facturas del periodo comprendido entre septiembre del año 2016 y febrero del año 2017
40
5. DATOS DEL PROCESO ACTUAL
En esta sección se muestran los datos tomados en la empresa PH&ES enfocados al
proceso de troquelado de riel chanel, se generan estadísticas y proyecciones, además de
encontrar conclusiones que faciliten el entendimiento de la problemática real de la
empresa.
5.1. TIEMPO DE REGLAJE DE LA PRENSA PARA TROQUELADO DE
RIEL CHANEL
En seguida se muestran los datos de reglaje de la máquina utilizados por cada operario,
y se calcula el promedio general de puesta en marcha del proceso de troquelado de
ranuras.
Tabla 8 Promedio del tiempo de reglaje de la troqueladora para producción de riel
chanel en la empresa PH&ES
Tiempo de reglaje
utilizado (s)
Operario 1 348
Operario 2 375
Operario 3 362
Operario 4 353
Promedio 359,5
Fuente: Autores.
El valor promedio del tiempo de reglaje de la máquina es de 359,5 s, es decir 6 minutos.
Sin embargo, se debe tener en cuenta que la empresa requiere llevar a cabo otros
procesos en la prensa. Normalmente el troquel de ranura para riel chanel se monta en la
prensa dos veces al día.
5.2. TIEMPO DE TROQUELADO PARA RIEL CHANEL
Para obtener el promedio de tiempo utilizado para el troquelado de un riel chanel en la
empresa PH&ES, se realiza la toma de tiempos a los cuatro operarios responsables de
ejecutar dicha labor, de forma independiente y en tres horarios diferentes (8:00 am,
01:00 pm y 3:00 pm), durante tres días.
Primero, se calcula el promedio individual en cada horario y por día, después se
promedia el tiempo de ejecución de la operación de los tres días evaluados para cada
operario, el cual arroja el tiempo de troquelado por persona. Los tiempos utilizados por
operario y día, pueden observarse en el anexo 1.
A partir de los tiempos estimados anteriormente, se consigue un valor promedio de
troquelado de riel total, este último se toma como base para evaluar el objetivo principal
del proyecto.
41
Tabla 9 Promedio de tiempo utilizado por los operarios en el troquelado de riel chanel
Promedio operario 1 (s) 300
Promedio operario 2 (s) 301
Promedio operario 3 (s) 298
Promedio operario 4 (s) 302
PROMEDIO TOTAL (s) 300
Fuente: Autores.
Como se puede observar, la variación de la rapidez con la cual se ejecuta la operación
de troquelado de riel chanel no se puede determinar con exactitud, debido a las
diferentes condiciones bajo las cuales se realiza el trabajo. Sin embargo, se puede inferir
que el tiempo de proceso es dependiente del operario, lo cual es un problema ya que no
siempre se obtendrá el mismo rendimiento. En la tabulación realizada, se puede apreciar
que a la 01:00 pm los operarios disminuyen su rendimiento, lo cual afecta directamente
el valor final de tiempo de operación. Al discutirlo con ellos, lo relacionan con la
hipoglucemia postprandial, o comúnmente llamada “cansancio por el almuerzo”.
La inclusión de un sistema automatizado de alimentación en el proceso puede ayudar a
controlar dichos tiempos, aumentar y obtener una proyección más realista de la
capacidad de producción, mejorando el acierto en las fechas de entrega pactadas con los
clientes y por consiguiente la satisfacción de los mismos.
En esta sección también se muestra una medición aproximada de los tiempos muertos
existentes en el proceso, los datos presentados son aquellos que se pudieron registrar
para cada operario mientras ejecutaban el proceso de troquelado.
Tabla 10 Promedio de tiempo muerto por lote de producción de riel chanel.
TIEMPO MUERTO POR LOTE DE PRODUCCIÓN EN OPERACIÓN DE
TROQUELADO (s)
Concepto Operario 1 Operario 2 Operario 3 Operario 4
Alistamiento de tira de
material 305 280 310 312
Estiramiento 140 120 160 130
Aseo 160 140 170 140
Promedio de tiempo
muerto por operario 202 180 213 194
Promedio total de tiempo
muerto por lote (s) 197
Fuente: Autores.
42
Para la obtención de los datos, se cronometró la duración del intervalo de tiempo que
empleaba cada operario en iniciar el troquelado de una tira de lámina nueva, se tuvieron
en cuenta las pausas activas y el tiempo de aseo individual. Al final se obtuvo que el
promedio total de tiempo muerto por cada lote de riel chanel es de 197 segundos, es
decir que por cada riel chanel, un operario capacitado pierde alrededor de 1,97
segundos.
5.3. PROMEDIO DE ERROR HUMANO EN EL PROCESO DE
FABRICACIÓN DE RIEL CHANEL
Para determinar el promedio de error humano en el proceso de fabricación de riel
chanel, se llevó a cabo el conteo de riel mal procesado en cinco lotes de cien unidades,
esto se repitió con cada uno de los cuatro operarios y se obtuvo el promedio de producto
mal procesado por lote.
Tabla 11 Promedio de unidades de riel chanel dañadas por lote de producción.
UNIDADES DAÑADAS POR LOTE (UND)
Lote Operario 1 Operario 2 Operario 3 Operario 4
1 1 2 0 1
2 3 1 1 3
3 1 2 1 2
4 2 2 3 2
5 1 1 2 1
Promedio 1,6 1,6 1,4 1,8
Promedio por lote (und) 1,6
Fuente: Autores.
En la Tabla 11 se evidencia las unidades de riel chanel dañadas en un lote y el promedio
correspondiente para cada operario, a partir de esto se determinó el promedio total el
cual es de 1,6 unidades por cada lote de 100 unidades. El daño radicó en una leve
desconcentración del operario, provocando ranuras solapadas y con una variación
significativa en el paso de las ranuras del riel.
Para el tiempo de producción, lo anterior significa un retraso de 532,8 segundos por
cada cien unidades manufacturadas, además la materia prima no se puede recuperar en
su totalidad.
5.4. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD POR UNIDAD DE RIEL
CHANEL
También se realizaron las estimaciones de los costos operativos para la producción de
riel chanel. En esta aproximación se tiene en cuenta el valor de la materia prima, el
costo de la mano de obra con base en un salario de $900.000 más prestaciones sociales,
el valor de los tiempos muertos y las pérdidas por error humano, y se contrasta con
respecto a los precios de venta. El análisis se hace para cada espesor de lámina que se
utiliza en la empresa y puede observarse en el anexo 2.
43
A partir de los datos obtenidos es posible hallar el costo total de producción de PH&ES
para poder suplir la demanda actual correspondiente a 1200 unidades mensuales (300
unidades de cada calibre), y verificar la utilidad actual del proceso según cada calibre de
lámina.
Tabla 12 Costo de operación y utilidad para suplir la demanda actual de riel chanel en la
empresa PH&ES
COSTO PARA SUPLIR DEMANDA ACTUAL
CALIBRE DEMANDA
MENSUAL COSTO
VALOR TOTAL
DE VENTA UTILIDAD
14 300 $ 3.288.557 $ 4.800.000 $ 1.511.443
16 300 $ 2.818.777 $ 4.350.000 $ 1.531.223
18 300 $ 2.403.392 $ 4.050.000 $ 1.646.608
20 300 $ 1.670.700 $ 3.270.000 $ 1.599.300
TOTAL 1200 $ 10.181.426 $ 16.470.000 $ 6.288.574
Fuente: Autores.
5.5. CONSIDERACIONES A PARTIR DE LOS DATOS DE PROCESO
ACTUALES
Los datos recopilados permiten obtener conclusiones que sirven de apoyo para la etapa
de diseño del alimentador de chapa metálica, estas se aprovechan en la etapa de
aplicación de las metodologías de diseño. Las consideraciones encontradas son:
• El reglaje del equipo para ejecutar la tarea de troquelado se lleva a cabo al
menos dos veces al día y el tiempo utilizado es significativo en los costos
operativos.
• El tiempo de troquelado no depende únicamente de la experiencia del operario,
también influyen factores como la capacidad de concentración, el agotamiento
físico y mental, el número de horas de trabajo consecutivas, el estrés del trabajo
repetitivo entre otras.
• Los tiempos muertos se producen regularmente por factores físicos o
psicológicos de los operarios, no se pueden eliminar del proceso ya que es una
característica inherente del ser humano.
• Aunque las unidades de riel chanel que se dañan por errores humanos no
superan el 2%, se vuelven un costo innecesario en el proceso de producción de
riel chanel y genera retrasos que pueden volverse acumulativos.
5.6. ASPECTOS A PRIORIZAR EN EL DISEÑO
De acuerdo con la etapa de investigación y toma de datos, además de las premisas de las
partes interesadas, los aspectos que se priorizan en el proceso de diseño son los
siguientes:
44
• No superar el presupuesto habilitado para la fabricación del alimentador de
chapa metálica.
• Disminución del 40% en el tiempo de troquelado de riel chanel.
• Aprovechamiento de la red neumática de la empresa.
• Fácil montaje del sistema de alimentación.
• Minimización del riesgo de accidente laboral.
• Facilidad de operación.
• No alterar el sistema original de la troqueladora.
• Facilidad de operación.
45
6. EJECUCIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO
A partir de este punto se ejecutan las metodologías de diseño aplicadas al problema
planteado que permiten establecer los criterios de selección y obtener el diseño del
alimentador de chapa metálica, según las necesidades de PH&ES.
En los siguientes apartados se presenta con más detalle el desarrollo de cada una de las
metodologías de diseño aplicadas.
6.1. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD (QFD)
El QFD se utilizó para sistematizar las características que debe tener el producto a lo
largo de todo el proceso de desarrollo, entender completamente qué es lo que quiere
PH&ES y cuáles son las necesidades que se buscan suplir con el desarrollo de este
proyecto.
➢ Se inicia con la recolección de los requisitos de cada una de las partes
interesadas. Para el desarrollo del despliegue de la función de la calidad se
genera una lluvia de ideas en donde se evidencia las necesidades de cada
participante, las cuales se agrupan de acuerdo a su enfoque.
➢ Después de definir los “QUÉ”, se ponderan de acuerdo a la prioridad mediante
una votación, en donde cada persona asigna un valor de importancia a cada
requisito.
➢ Se hace una búsqueda del estado de los alimentadores de chapa metálica
existentes en el mercado y se evalúa el estado de cumplimiento de éstos
productos con respecto a las necesidades de PH&ES, a fin de proyectar el estado
final del diseño a desarrollar.
➢ Se genera una lista de posibles soluciones y se ponderan de acuerdo a las
relaciones y grado de solución de los “QUÉ”.
6.1.1. Tormenta de ideas para definición de los “Qué”
Para definir los “Qué” de la matriz QFD, se llevó a cabo una sesión de lluvia de ideas en
las que se evidencian las expectativas de las partes interesadas.
Asistentes:
➢ Gerente de la empresa PH&ES.
➢ Jefe de planta.
➢ Operario 1
➢ Operario 2
➢ Operario 3
➢ Operario 4
➢ Autor 1
➢ Autor 2
46
Ideas generadas:
➢ No superar el presupuesto definido al comienzo del proyecto de $9.000.000.
➢ Mejora en el proceso de troquelado de riel chanel en un 40%.
➢ Aprovechamiento del espacio disponible.
➢ Sistema compacto.
➢ Montaje sencillo.
➢ Capacidad de recuperación de la inversión en un periodo de tiempo menor a 1
año.
➢ Operación sencilla.
➢ Puesta a punto sencilla.
➢ Fácil alineación de partes.
➢ Sistema modular.
➢ Guarda en piezas con riesgo de atrapamiento
➢ Fabricación rápida.
➢ Extensa vida útil.
➢ Fácil adquisición de repuestos.
➢ Aprovechamiento de la red neumática de la empresa.
➢ Reducción de tiempo de permanencia en la troqueladora.
➢ Mejora en el flujo de materia prima para la sección de doblado.
➢ No tener piezas sueltas o que se puedan perder con facilidad.
➢ Resistente a golpes y trato descuidado.
➢ Mantenimiento fácil.
➢ Graduación del paso de riel chanel.
➢ Reducción de la cantidad de piezas dañadas por lote.
➢ Capacidad para manejo de todos los calibres de lámina.
➢ Diseño llamativo.
➢ Fácil carga de material.
➢ Sistema liviano.
➢ Topes para ubicación del punto de partida
➢ Debe existir un sistema pisador de lámina.
➢ Permitir graduación de parámetros importantes.
➢ Cualquier persona debe ser capaz de manipular el equipo.
➢ Debe tener recubrimiento para evitar oxidación.
➢ Nivel bajo de ruido.
➢ Sistema de paro de emergencia.
➢
6.1.2. Agrupación de ideas y definición de los “Qué”
Después de la sesión de lluvia de ideas, éstas se organizan y clasifican para definir los
“Qué” de la matriz QFD: Viabilidad económica, reducción de los tiempos de
fabricación de riel chanel, sistema modular con facilidad de montaje, facilidad de
operación del equipo, rápida fabricación, fácil mantenimiento, durabilidad, seguridad,
graduación parámetros, sin ruido, estética, sistema neumático, resistencia. La
descripción detallada se puede observar en el anexo 3.
47
6.1.3. Asignación de coeficientes de peso a los “Qué”
Para jerarquizar los “Qué” en orden de importancia, a cada participante se le asignaron
39 puntos (3 veces la cantidad de “Qué”) para distribuirlos entre todos los “Qué”. Sin
embargo, los únicos valores posibles son 1, 3 y 9; esto se hace con el fin de obtener
resultados que permitan identificar una prioridad en el listado. Los participantes en el
proceso de ponderación ocupan los cargos de Gerente, Jefe de planta y operarios (4).
Esta ponderación se puede ver en el anexo 3.
Se concluye que los factores a priorizar en la etapa de diseño son la facilidad de
operación del equipo y la seguridad de operación, seguido de la reducción de tiempos de
operación de riel chanel, el aprovechamiento de la red neumática y la facilidad en tareas
de mantenimiento.
6.1.4. Análisis de competencia
Es importante analizar los productos existentes en el mercado, ya que, si el diseño
propuesto en este documento tiene características inferiores a las de la competencia, el
proyecto perdería viabilidad. Además, éste análisis permite evidenciar fortalezas que se
pueden implementar en el desarrollo del alimentador de capa metálica de la empresa
PH&ES.
Para definir el grado de cumplimiento de los “Qué” de la competencia, se enseñan los
productos a las partes interesadas y se evalúan de acuerdo a los criterios propuestos en
una escala de 1 a 5, en donde 1 significa que la competencia no cumple el parámetro y 5
que la competencia tiene un alto grado de cumplimiento.
Para esta sección se toman como referencia los productos ofertados por las empresas
Comtesa y Hemsa. El promedio de cumplimiento de las dos empresas frente a los
requisitos de PH&ES es de 3,76. En contraste, se busca que el dispositivo que se diseñe
tenga un promedio de cumplimiento de 4,1. El detalle de los resultados obtenidos se
pueden observar en el anexo 3.
6.1.5. Establecimiento de los “cómo” y su correlación
De forma análoga a la sección 6.1.2., se elabora una lista de los “cómo” necesarios para
resolver los “qué”. En seguida, se realiza la matriz de correlación que permite saber si
para la satisfacción de los "Qué", es bueno que la cantidad asignada al "Cómo" crezca,
decrezca o se sitúe en un valor objetivo. Después se valora la influencia de los “Cómo”
con respecto a los “Qué”. Los resultados se pueden ver en el anexo 3.
6.1.6. Evaluación de los “Cómo” en base al estudio de la competencia
En este paso se cuantifican los objetivos de los “Cómo” en relación a los productos
existentes en el mercado. Esta cuantificación se encuentra en el anexo 3.
48
6.1.7. Puntuación final y conclusiones
El primer paso es asignar un coeficiente de dificultad a cada “Cómo”. Ya que no todos
los “Qué” tienen la misma importancia, y cada “Cómo” influye de manera distinta en la
solución, se puede valorar el resultado de cada “Cómo” de la siguiente forma:
𝑃𝑢𝑛𝑡𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 Cómo
= ∑ (𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 Qué)(𝑐𝑜𝑒𝑓. 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)
"𝑄𝑢é"
(𝑐𝑜𝑒𝑓. 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑢𝑙𝑡𝑎𝑑)
𝑃𝑢𝑛𝑡𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒𝑙 Cómo = ∑(𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 Qué)(𝑐𝑜𝑒𝑓. 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)(𝑐𝑜𝑒𝑓. 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑢𝑙𝑡𝑎𝑑)
∑ "𝑐𝑜𝑚𝑜" ∑ "𝑄𝑢é"
De acuerdo a los resultados, se puede obtener un orden de prioridades a seguir en el
diseño, en el caso de no poder suplir varias al mismo tiempo. Dentro de los aspectos con
mayor prioridad de diseño se obtienen:
➢ Eliminación de vibración en el equipo.
➢ Planos de conjunto para facilitar entendimiento de sistemas.
➢ Automatización del proceso.
➢ Minimización de tiempos de fabricación de riel chanel.
Los resultados y la matriz QFD completa se pueden encontrar en el anexo 3.
6.2. ANÁLISIS FUNCIONAL
Partiendo de las restricciones e ideas iniciales y los datos obtenidos en el QFD, se puede
desarrollar el modelo de caja negra, descomposición funcional y caja gris, para facilitar
la interpretación del funcionamiento, composición y flujo de energía en el dispositivo
deseado.
6.2.1. Modelo de la caja negra
El modelo de la caja negra permite dar una explicación generalizada de cuál es el
proceso lógico de operación del sistema en desarrollo e identificar los principales
objetivos a conseguir con el mismo. Del análisis de la información obtenida en el QFD,
se obtiene el siguiente modelo de caja negra.
49
Ilustración 23 Modelo de la caja negra para el proceso de diseño del alimentador de
chapa metálica.
Fuente: Autores.
6.2.2. Análisis funcional
Con esta técnica se identifican las acciones que debe ejecutar el dispositivo alimentador
y posibles formas de llevarlas a cabo, esto con el fin de abrir posibilidades de diseño y
poder evaluar nuevas restricciones en el proceso. La descomposición funcional puede
observarse en el anexo 4.
6.2.3. Caja gris
Al combinar el modelo de la caja negra y la descomposición funcional se puede
visualizar el flujo de información a través del sistema propuesto, para evidenciar e
identificar las tareas de diseño. El modelo resultante se presenta a continuación.
Ilustración 24 Modelo de caja gris para el proceso de diseño del alimentador de chapa
metálica.
Fuente: Autores.
50
6.2.4. Check list
Esta técnica permite generar ideas que pueden ser utilizadas para desarrollar conceptos
que permitan cumplir con los requisitos de PH&ES.
Al aplicar la metodología se obtienen nuevas ideas generadoras que facilitan el
acercamiento a los conceptos iniciales del dispositivo de alimentación de chapa
metálica.
Tabla 13 Check list para generación de ideas
CHECK LIST
SUSTITUIR
Alimentación de chapa metálica de forma manual.
Forma de accionamiento del sistema.
Fuente de energía motriz.
COMBINAR Sistema automatizado y supervisión humana.
Sistema neumático y sistema mecánico.
ADAPTAR
Prensa mecánica
Sistema de alimentación y prensa de troquelado.
Red neumática de la empresa y sistema de
alimentación
MODIFICAR Tope manual del troquel.
Bridas de fijación de la mesa.
PONERLO, OTROS
USOS
Alimentación de otros materiales.
Dispensador de materia prima.
ELIMINAR Accionamiento por pedal de la troqueladora.
Error humano.
REORDENAR Rutina de operación del usuario.
Fuente: Autores.
Con base en éste listado, se generan los requerimientos iniciales para los diferentes
campos del diseño del dispositivo, como por ejemplo, el sistema de fijación, la forma de
operación del equipo, la energía a utilizar, los topes para el posicionamiento de la chapa,
etc. Además, permite observar nuevos parámetros a considerar, que no se tenían
previstos al inicio de la etapa de diseño, como el control del equipo, el suministro de
material y el accionamiento de la troqueladora.
6.2.5. Seis sombreros para pensar
Esta metodología permite ver los diferentes escenarios que se pueden obtener desde
diversos puntos de vista, se obtienen conclusiones que facilitan la selección de
conceptos en la etapa de diseño detallado, como preferencias, problemas a evitar,
aplicaciones a largo plazo del dispositivo y mejoras en el proceso de troquelado. El
análisis que se realiza puede verse en el anexo 5.
51
6.3. JERARQUIZACIÓN POR SUBSISTEMAS
Este análisis permite aproximar los subconjuntos funcionales para el diseño del
alimentador de chapa metálica, y a partir de éste, empezar a generar conceptos
preliminares de diseño. Esta jerarquización se encuentra en el anexo 6.
6.4. INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS
Este método permite combinar los conceptos planteados y obtener múltiples soluciones
al diseño del alimentador de chapa. Los conceptos se obtienen al aplicar la
jerarquización de los subsistemas del alimentador de chapa metálica. Las tablas de
conceptos que se obtienen para combinar son:
Ilustración 25 Tablas de conceptos para combinación.
Fuente: Autores
Al realizar la combinación de conceptos se pueden obtener 3125 combinaciones, sin
embargo, teniendo en cuenta el cumplimiento de los requisitos del cliente obtenidos al
aplicar las metodologías de diseño anteriores, se pueden destacar como sobresalientes
las presentadas en el anexo 7.
Los conceptos seleccionados se someten a observaciones que permiten evidenciar las
ventajas y desventajas de cada uno, con respecto a los requisitos de PH&ES, como se
muestra en el anexo 8.
52
6.5. SÍNTESIS DE LAS METODOLOGÍAS DE DISEÑO APLICADAS
En resumen, las metodologías de diseño aplicadas, permiten definir los aspectos a
priorizar que son:
➢ Facilidad en la operación del dispositivo.
➢ Seguridad en el manejo del equipo.
➢ Reducción de los tiempos de troquelado.
➢ Uso de un sistema neumático para aprovechar la red existente en la empresa.
➢ Facilidad de mantenimiento del equipo.
6.6. PLANTEAMIENTO DE POSIBLES SOLUCIONES PARA EL DISEÑO
DEL SISTEMA DE ALIMENTACIPIN DE CHAPA METÁLICA
Después de aplicar las metodologías de diseño y tener una idea más concreta de las
necesidades y requerimientos de PH&ES, se plantean tres mecanismos diferentes para
diseñar el sistema de alimentación de chapa metálica, que son sometidos a evaluación.
6.6.1. Propuesta 1: Mecanismo simple de 4 barras
Este sistema consta de 4 barras que se anclan al carro móvil de la troqueladora y
transforma el movimiento lineal de la misma para obtener un movimiento rotacional
que permita el desplazamiento de la chapa metálica. Este mecanismo restringe el
acceso del operario a zonas peligrosas, sin embargo, requiere de modificaciones a la
máquina original, además, puede existir deslizamiento de la chapa metálica que
ocasiona errores dimensionales en el producto. También requiere de la instalación de un
sistema adicional para ubicar la lámina en la zona de troquelado.
Ilustración 26 Mecanismo simple de cuatro barras
Fuente: Autores.
53
6.6.2. Propuesta 2: Sistema de actuadores neumáticos
Esta propuesta combina una serie de actuadores neumáticos que ejercen la función de
pisar la lámina y trasladarla, acercándola a la zona de troquelado, y regresando a su
posición inicial para repetir el ciclo. Propone la utilización de sensores para el control
de las variables en el proceso y requiere la implementación de guardas de seguridad.
Ilustración 27 Sistema de actuadores neumáticos
Fuente: Autores.
6.6.3. Propuesta 3: Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras
El sistema propuesto consta de una banda transportadora que mueve la chapa metálica
en dirección a la zona de troquelado aprovechando la energía de un elemento motriz
rotativo, mientras, un brazo con un punto de giro permite la alineación de la chapa
metálica a través de todo el recorrido. Requiere de un bastidor complejo y mayor
inversión económica.
Ilustración 28 Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras
Fuente: Autores.
6.7. MATRIZ DE EVALUACIÓN DE PROPUESTAS
A partir de los requerimientos obtenidos con la aplicación de las metodologías de
diseño, se evalúa el cumplimiento de los mismos para cada una de las propuestas
presentadas.
54
La ponderación se realiza con base en una escala de 1 a 3 como se muestra en la
siguiente tabla.
Tabla 14 Escala de ponderación de propuestas
ESCALA PUNTAJE
No cumple el criterio 1
Cumple moderadamente el
criterio 2
Cumple el criterio 3
Fuente: Autores.
Tabla 15 Evaluación de propuestas
CRITERIO DE
EVALUACIÓN
PROPUESTA
1
PROPUESTA
2
PROPUESTA
3
Presupuesto 3 2 1
Funcionalidad 2 3 2
Facilidad de operación 3 3 3
Seguridad en el uso 3 3 3
Reducción de tiempo 2 3 3
Facilidad de mantenimiento 3 3 2
Uso de red neumática 1 3 1
PROMEDIO 2,43 2,86 2,14
Fuente: Autores.
Con base en la ponderación obtenida, se selecciona la propuesta con mayor índice de
cumplimiento de los requisitos de PH&ES, siendo la propuesta 2 la seleccionada y con
mayor aceptación dentro de las partes interesadas.
55
7. DISEÑO DETALLADO
En este capítulo se muestran los procedimientos de diseño e ingeniería aplicados al
diseño del alimentador de chapa metálica elegido por PH&ES.
7.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
El sistema de alimentación está constituido por subconjuntos mecánicos y tiene la
función de arrastrar la tira de material en dirección a la placa matriz y el punzón
perforador (la ilustración 32 indica el sentido de alimentación). El diseño tridimensional
permite verificar la facilidad de ensamble de los componentes y determinar cómo se
relacionan los elementos garantizando cero interferencias.
Desde la etapa de modelado CAD se puede controlar el tamaño de los componentes, la
alineación, el peso y el proceso de fabricación. En este caso, las piezas presentadas se
configuraron para manufactura en máquinas convencionales, procesos de torneado para
cilindrar las barras y mecanizado de agujeros de fijación, con ajustes deslizantes con
juego y amplias tolerancias de fabricación.
Para optimizar el proceso de fabricación, se decide no mecanizar los contornos de las
placas si no se requiere, se reutilizan elementos para crear procesos de fabricación en
serie, se hace uso de materiales comerciales y de fácil adquisición, y se diseña de
manera que el equipo sea modular.
Al finalizar el proceso de diseño se obtiene un equipo de dimensiones ancho: 390mm,
largo: 550mm, altura: 180mm, y masa de 23Kg. Para la fabricación se usan materiales
como ultrapol (plástico de ingeniería) y acero para maquinaria AISI 1045 con un
recubrimiento de zinc azul que disminuye la oxidación aislando la superficie de la pieza
del medio ambiente.
Ilustración 29 Sistema de alimentación de chapa metálica
Fuente: Autores
56
Se adapta una plancha de acero estructural ASTM A-36 que cumple la función de
bastidor en la cual se fijan los componentes formando el sistema de alimentación
electro-neumático.
El sistema de alimentación, además, está compuesto por un cilindro con riel H de marca
MICRO que ejerce la función de desplazamiento de la tira metálica inmediatamente
después de que el cilindro compacto ejerza presión sobre la placa móvil adaptada al
vástago del primer cilindro. Se utilizan placas de aluminio calibrado como soporte de
los cilindros, una placa de aluminio sobre la que se desplaza la tira metálica mientras un
sistema de alineación centra la lámina con respecto al punzón de troquelado. La fijación
del dispositivo a la mesa troqueladora se realiza por medio de bridas de amarre que al
ser adaptado a un sistema de cuñas, garantizan la correcta alineación del sistema,
evitando errores en el troquelado de ranuras. Se planea instalar guardas en acrílico para
proteger al operario del atrapamiento y permitir visualizar el correcto funcionamiento
del sistema de alimentación.
7.2. COMPROBACIÓN DE LA FUERZA DE TROQUELADO
Para los cálculos se toma como referencia el mayor espesor troquelado en la empresa
PH&ES, (Calibre 14 = 1.9mm).
La fuerza de corte de la lámina está definida por: 𝐹𝑐 = 𝑃 ∗ 𝑒 ∗ 𝜎𝑐
Donde,
P = Perímetro de recorte. (76,5mm)
e = Espesor de la chapa. (1,9mm)
σc = Resistencia al corte. (40 Kgf/mm2)
𝐹𝑐 = 76,5𝑚𝑚 ∗ 1,9 𝑚𝑚 ∗ 40 𝐾𝑔𝑓/𝑚𝑚2
𝐹𝑐 = 5814 𝐾𝑔𝑓 = 57 𝐾𝑁
Con esto se corrobora la capacidad de operación de la troqueladora, la cual es de 30000
Kgf.
7.3. ESPECIFICACIÓN DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA
Se utilizará un sistema electro-neumático para llevar a cabo la tarea de alimentación de
chapa metálica. El accionamiento del pedal, el sistema pisador y de desplazamiento de
chapa metálica se llevan a cabo utilizando actuadores neumáticos siguiendo la
programación de la lógica cableada diseñada. Se trabaja con un sistema en la entrada
para empujar y otro en la salida para halar la tira metálica, esto se debe hacer ya que se
necesita una segunda fuerza motriz que conduzca la tira metálica cuando esta sale del
primer sistema. El ciclo de trabajo es el siguiente:
57
Ilustración 30 Secuencia de trabajo del sistema de cilindros neumáticos
Fuente: Autores
En la ilustración anterior se evidencia la posición inicial de los actuadores, y su cambio
en cada estado. Adicional se muestra la descripción del movimiento del punzón. En la
primera etapa, se accionan los cilindros 2 y 3, para pisar la chapa metálica y poder
movilizarla con la ayuda de los cilindros 4 y 5 en la segunda etapa. La tercera fase del
ciclo de trabajo es el accionamiento del pedal en la troqueladora (cilindro 1) el cual
retorna a su posición original en el siguiente periodo, de forma simultánea con los
demás cilindros.
7.4. DEFINICIÓN DE LAS LIMITANTES DE ESPACIO
Se realiza el levantamiento metrológico para obtener las dimensiones de la máquina
troqueladora y el troquel para ranura. Esto permite obtener las restricciones espaciales
para el dimensionamiento del sistema alimentador y la ubicación del mismo con
respecto a la prensa de troquelado para garantizar la alineación del dispositivo y evitar
errores de fabricación.
Ilustración 31 Dimensiones generales del troquel para ranura
Fuente: Autores
CILINDRO 5
CILINDRO 1
MOVIMIENTO
PUNZÓN
SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO DE CHAPA METÁLICA
POSI
CIÓ
N
INIC
IAL
SISTEMA PISADOR
CILINDRO 2
CILINDRO 3
SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DEL PEDAL
CILINDRO 4
58
La mesa de trabajo está delimitada por la placa sufridera instalada en la troqueladora.
No se tiene en cuenta la zona de la garganta de la troqueladora ya que éste espacio está
disponible para manipulación de láminas de mayor dimensión. Sin embargo, en la zona
transversal, se cuenta con un espacio disponible mayor el cual se muestra en la
ilustración 20 del numeral 4.1.
Ilustración 32 Modelo de la troqueladora. Se muestra la zona de trabajo
Fuente: Autores
Las dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora son de 515mm X 390mm X
36mm, así como se muestran a continuación:
Ilustración 33 Dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora
Fuente: Autores
Después se define la trayectoria del riel chanel con respecto al punzón de troquelado a
fin de encontrar el centro operativo del dispositivo de alimentación, facilitando la
ubicación de los componentes del sistema propuesto.
59
Ilustración 34 Ubicación de riel chanel con respecto al troquel
Fuente: Autores
7.5. SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS
En esta sección se describe el procedimiento de selección de los cilindros neumáticos
para cada una de las aplicaciones.
7.5.1. Selección de cilindro neumático para accionamiento del pedal
Este cilindro acciona el pedal que envía la señal para el accionamiento del punzón. Ya
que no se tuvo acceso al resorte de compresión del sistema de pedal, se procede a ubicar
distintas masas sobre el mismo para hallar un valor aproximado. La masa que accionó el
sistema de manera efectiva y sin retraso es de 10 Kg; por tanto, la fuerza necesaria para
poder accionar el pedal es de 100 N aproximadamente.
Se sabe que la red neumática de PH&ES tiene una presión de salida efectiva de 29 PSI
(2 Bar) con una estimación de pérdidas en todo el sistema de máximo 30%.
En el nomograma de selección de cilindro neumático que se encuentra en el anexo 9, se
muestran los valores de fuerza afectados por el rendimiento para los cilindros
neumáticos comerciales.
Entrando con el valor de la fuerza, se obtiene un diámetro de 28mm para la camisa del
cilindro, sin embargo, este diámetro no es de fabricación comercial, por este motivo se
decide utilizar un cilindro con diámetro de camisa 32mm el cual genera la fuerza
requerida y permite un factor de seguridad de 1.4. Para determinar la carrera, se realizó
la medición del desplazamiento del pedal, obteniendo un valor de 50mm.
60
Ilustración 35 Posiciones del pedal de la troqueladora
Fuente: Autores
Ahora, se realiza una comprobación de pandeo en el vástago del cilindro haciendo uso
del nomograma de estimación de la carrera máxima por pandeo que se puede observar
en el anexo 9. A partir del nomograma se puede apreciar que la carrera máxima
admisible para este tipo de cilindro es de 800mm, aproximadamente. Por lo tanto, no
hay problemas en la selección.
7.5.2. Selección de cilindro neumático pisador
Para seleccionar el cilindro neumático que se requiere para esta operación, se evalúa el
recorrido total necesario que está dado por el espesor de las láminas. La máxima altura
está dada por la lámina de calibre 14 (1,9mm) y el recorrido mínimo demandado es de
3mm, sin embargo, los dispositivos ofertados en el mercado nacional son limitados para
carreras tan cortas, siendo escasos y costosos. Por ejemplo, el cilindro de 5mm de
carrera se solicita por fabricación, y por lo tanto, aumenta el precio de compra para
minoristas.
Para esta aplicación se selecciona un cilindro neumático de diámetro 20mm y carrera de
10mm puesto que se puede adecuar a los requerimientos del dispositivo de alimentación
y se puede adquirir adaptándose al presupuesto establecido por la empresa. Además, se
propone la compra de una guía anti giro para facilitar la adaptación del soporte pisador,
proteger el vástago del cilindro y eliminar el giro.
Aunque se evalúa también la posibilidad de utilizar actuadores neumáticos de menor
dimensión, como por ejemplo, los mini cilindros, éstos suministran poca fuerza, son
menos resistentes a la manipulación y su costo es mayor, y por tanto, su uso se descarta.
Haciendo uso del nomograma de selección de cilindro para sistema pisador de chapa
metálica que se encuentra en el anexo 9, se observa que la fuerza que suministra este
cilindro neumático es de 55N. Debido a que la carrera es corta, no se requiere hacer
estimación de pandeo.
61
7.5.3. Selección de cilindro neumático para sistema de avance
Para determinar la carga que debe mover el cilindro neumático de avance, se toma como
referencia la tira de material de mayor masa (calibre 14). Observando la tabla 2, se sabe
que la chapa metálica más pesada es de 29 N, pero el peso de los componentes de
sujeción y demás, se estima inicialmente de 300 N.
Se hace uso del nomograma de selección de cilindro para sistema de avance de chapa
metálica que se encuentra en el anexo 9, en el cual se identifica que un cilindro
neumático de 25mm puede funcionar, ya que suministra la fuerza necesaria para la
aplicación específica. Sin embargo, este diámetro no es de producción estándar, y el
cilindro más próximo es el de diámetro 32mm.
Para facilitar el montaje del cilindro se utiliza una guía H con bujes de material sintético
que permite el mecanizado de nuevas perforaciones en ciertas zonas, además, soportan
cargas y momentos importantes (para el caso del cilindro seleccionado, 200N).
Las dimensiones y especificaciones de la guía seleccionada, junto con las
especificaciones del cilindro se presentan en el anexo 10.
7.5.4. Estimación de la velocidad de los cilindros
Teniendo en cuenta la presentación “Actuadores de sistemas neumáticos” de la
Universidad del país vasco9, la velocidad media del embolo en cilindros estándar está
comprendida entre 0,1m/s y 1,5 m/s. Tomando como referencia de cálculo el escenario
más crítico en la velocidad de los cilindros (0,1 m/s) y la velocidad conocida de
troquelado, se tiene:
Tabla 16 Estimación del tiempo total del ciclo de operación del sistema alimentador
VELOCIDAD
(mm/s)
CARRERA
(mm)
TIEMPO
DE
SALIDA
(s)
TIEMPO DE
RETORNO
(s)
TIEMPO
TOTAL
(s)
CILINDRO PISADOR 100 10 0,1 0,1 0,2
CILINDRO DE AVANCE 100 100 1 1 2
CILINDRO DE
ACCIONAMIENTO DE
PEDAL
100 50 0,5 0,5 1
PUNZON 250 50 0,2 0,2 0,4
TIEMPO TOTAL DE
OPERACIÓN x CICLO 2,8
Fuente: Autores
Aunque el tiempo completo del ciclo es de 2,8 segundos, se considera un aumento del
30% en operación debido a la calibración de válvulas reguladoras de caudal, es decir, el
tiempo completo de operación es de 3,6 segundos.
9ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS. Fabricación asistida por ordenador: actuadores de sistemas neumáticos. Universidad del país Vasco. {En línea}. {25 marzo de 2017}Disponible en: http://www.ehu.eus/manufacturing/docencia/361_ca.pdf
62
7.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE CABLEADO LÓGICO
Se selecciona esta forma de control ya que el uso de PLC implicaría mayor inversión y
una programación más detallada. Además, se descarta porque el ambiente de trabajo
aumenta las posibilidades de daño de la pantalla de control.
En esta sección se utilizan los principios básicos de automatización, y se presenta el
esquema general del circuito electro-neumático diseñado para ejecutar el ciclo de
trabajo especificado en la sección 7.2. El sistema propuesto se presenta en los anexos 11
y 12, esquema neumático de funcionamiento y diagrama de lógica cableada,
respectivamente.
Las ramificaciones 17, 18 y 19 del diagrama de lógica cableada corresponden a la
simulación de los estados del punzón de troquelado. Se realiza la comprobación del
sistema haciendo uso del software Festo Fluidsim.
7.7. DISEÑO DEL SOPORTE PARA EL CILINDRO DE ACCIONAMIENTO
DEL PEDAL
Para el diseño de este subsistema se hacen las mediciones del pedal de accionamiento de
la troqueladora con el fin de encontrar la posición del cilindro neumático que acciona el
punzón.
Ilustración 36 Modelado del soporte para fijación de cilindro neumático para
accionamiento del pedal
Fuente: autores
Para fijar el cilindro al pedal de accionamiento de la troqueladora, se hace uso de un
soporte basculante tipo hembra para cilindros neumáticos (anexo 10) y se instala una
horquilla en el extremo del vástago (anexo 10), estos soportes brindan la posibilidad de
giro en un plano para evitar agarrotamiento. Para la adaptación de dichos elementos, se
propone la fabricación de dos adaptadores que permiten la instalación del cilindro en la
posición requerida y anclaje al piso con chazos expansivos de ½”. Ver el anexo 13,
planimetría.
En la siguiente imagen se muestran las condiciones de giro del cilindro en el plano
mostrado:
63
Ilustración 37 Condiciones de giro del cilindro neumático del pedal
Fuente: Autores
Las dos posiciones del cilindro neumático en cuestión son las siguientes:
Ilustración 38 Posición inicial y final del cilindro neumático de accionamiento del
pedal.
Fuente: Autores
Para el diseño de las placas de anclaje del cilindro del pedal, se hace el levantamiento
metrológico del mismo para definir la posición de adaptación, que corresponde al
extremo de la palanca. Debido a que dicho extremo no tiene puntos de amarre, se
recomienda hacer cuatro perforaciones roscadas para facilitar el anclaje de los soportes
que se requieren, distribuidas de tal forma que cumplan con la norma de ubicación de
agujeros, definida como:
64
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 1.5 ∗ 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
De esta manera se minimiza la posibilidad de ruptura en la placa.
Los soportes para la adaptación tienen la siguiente forma.
Ilustración 39 Soportes para adaptación del cilindro neumático al pedal y anclaje a piso
Fuente: Autores
Se fabrican con acero estructural ASTM A36 y se instala una platina soldada con una
perforación del diámetro del pasador de la horquilla y del soporte basculante,
respectivamente.
Se hacen cuatro perforaciones de anclaje para poder llevar a cabo la instalación. En el
caso del soporte del pedal, dichas perforaciones son de 8mm, y para la instalación de la
placa del soporte basculante, se recomienda el uso de chazos expansivos de ½” y
adaptarlos en el piso, en el momento de la instalación para minimizar errores de
posicionamiento.
Los planos de fabricación y especificaciones se pueden observar en el anexo 13. Las
especificaciones del material se encuentran en el anexo 14.
7.8. DISEÑO DEL SISTEMA DE AVANCE
Este sistema está compuesto por una placa sobre la cual se moviliza la chapa metálica.
Se instala sobre un cilindro neumático adaptado con un sistema de guía H con dos
columnas que aumenta la fuerza de empuje y permite el montaje del sistema pisador.
Sobre la placa de deslizamiento se adapta un sistema pisador inicial que permite el fácil
enhebrado de la chapa metálica en el dispositivo de alimentación.
65
Ilustración 40 Sistema de avance de chapa metálica
Fuente: Autores.
El proceso de diseño de este subsistema inicia con el posicionamiento del cilindro
neumático. Es necesario garantizar la alineación entre el centro del pistón y el centro del
punzón de troquelado, como se muestra en la siguiente ilustración.
Ilustración 41 Alineación del centro del cilindro con el centro del punzón de troquelado
Fuente: Autores.
Esto permite evitar fallos en la operación y un troquelado imperfecto.
El siguiente paso es la determinación de la altura en la que se ubica el cilindro con el fin
de mantener la chapa metálica en posición horizontal todo el tiempo. Además, se
evidencia la necesidad de una placa de deslizamiento para no desgastar el cilindro ni los
elementos de sujeción. Teniendo en cuenta que el movimiento de la chapa metálica
producirá desgaste por fricción en la placa de deslizamiento, será necesario hacer
cambio de dicho elemento cuando sea necesario. Se requiere el uso de un material de
bajo coeficiente de fricción y de bajo costo, por tanto, se propone el uso de placa de
66
aluminio de espesor 3/16” ya que su adquisición en el mercado es fácil, y si fuera de
mayor espesor, aumentaría el costo de reemplazo de este componente. Se debe utilizar
tornillo avellanado para no obstaculizar el paso del material.
Ilustración 42 Determinación de altura de instalación del cilindro de avance
Fuente: Autores
En un extremo de la placa de deslizamiento se hace un doblez a 15° respecto a la línea
horizontal, para facilitar el acceso de la tira metálica al sistema de avance.
Ilustración 43 Doblez de acceso de lámina metálica a 15°
Fuente: Autores
Además, se diseña un sistema de alineación para garantizar que la chapa metálica
ingrese a la prensa de troquelado centrada, con respecto al punzón. El sistema de
alineación está compuesto de dos columnas sobre las cuales está instalado un eje con
dos extremos roscados (una rosca izquierda, una rosca derecha) que, junto con una
perilla, se gradúan de acuerdo al ancho de la lámina a troquelar. Su rango de
funcionamiento permite la fabricación de riel chanel en todos los calibres que maneja
PH&ES.
67
Ilustración 44 Sistema de alineación
Fuente: Autores
Como soporte del tornillo de movimiento de las cuñas, se utilizan dos barras de acero
AISI 1045 de 1” de diámetro, para permitir el paso del eje de giro del sistema y la
instalación de bujes en bronce, que minimizan el rozamiento de las partes (anexo 14),
priorizando la durabilidad del eje, debido a la complejidad de su fabricación. A
continuación, se presenta la adaptación de los bujes de bronce:
Ilustración 45 Adaptación de bujes de bronce
Fuente: Autores
Se decide usar una rosca de paso fino ya que no soportará cargas, y el rango de
variación del ancho de las tiras metálicas es de 9mm. Las cuñas tienen un agujero
roscado en una posición específica para permitir el contacto con la placa de
deslizamiento y restringir de forma correcta el desvío de la tira metálica. Se adaptan dos
bloques que ejercen la función de guía para evitar el giro de las cuñas y garantizar la
linealidad entre ellas.
68
Además, se instala una perilla en un extremo del eje roscado, para que los operarios
puedan regular el ancho de paso de tira metálica, como se muestra en la siguiente
ilustración. La fijación de la perilla se efectúa mediante un pin elástico de 2 mm, que se
instala después de ensamblar las partes.
Ilustración 46 Descripción del sistema de alineación de tira metálica
Fuente: Autores.
7.9. DISEÑO DEL SISTEMA PISADOR
El sistema pisador está comprendido por el cilindro neumático descrito en la sección
7.4.2.
7.9.1. Sistema pisador principal
Para permir el desplazamiento de la chapa metálica hacia el troquel perforador, se
instala el cilindro neumático compacto seleccionado sobre el cilindro de avance. Se
propone la fabricación de una estructura hecha en aluminio que sirva de soporte para el
cilindro pisador y se adapta un rodillo fabricado en ultrapol que permite minimizar la
carga ejercida sobre el vástago del actuador de avance, como se presenta en la siguiente
ilustración.
Ilustración 47 Sistema pisador principal
Fuente: Autores.
69
El primer paso del diseño es determinar la altura de instalación del cilindro neumático,
ya que se debe garantizar que en el momento del accionamiento se logre el efecto que se
pretende. Sin embargo, no se debe permitir el contacto de la placa anti giro y la chapa
metálica ya que podría haber desgaste. Para solucionar este inconveniente, se adapta una
placa de ultrapol de 3/16” utilizando tornillos avellanados para evitar obstrucción de la
chapa metálica, evitando el contacto directo de la placa anti giro, como puede
observarse a continuación.
Ilustración 48 Ubicación del cilindro pisador
Fuente: Autores.
Debido a que la acción de prensado que ejerce el cilindro compacto sobre la tira
metálica debe mantenerse durante todo el trayecto del cilindro de avance, éste debe
adaptarse a la placa frontal del cilindro horizontal. Para esto, se debe seleccionar un
material liviano que no oponga mayor resistencia al vástago del cilindro. Se decide
utilizar platina calibrada de aluminio a fin de reducir operaciones de mecanizado y el
peso del sistema. Se forma una estructura que facilita el montaje del cilindro superior
con la altura adecuada de la instalación y una placa inferior que permite llevar a cabo la
tarea de prensado. Ya que el peso del cilindro sin vástago no es superior a 500 grs, no es
relevante efectuar un cálculo de resistencia estructural. Se hace uso de guías
mecanizadas para facilitar el ensamble de las piezas. Las juntas se realizan con tornillo
de cabeza redonda en acero inoxidable para no atentar a la estética del sistema. En la
parte inferior del sistema pisador se instala un rodillo fabricado en ultrapol para
minimizar el efecto de las cargas generadas en el momento del prensado, como puede
apreciarse a continuación.
70
Ilustración 49 Descripción del sistema de prensado
Fuente: Autores.
7.9.2. Sistema pisador auxiliar
Cuando se define la alimentación de la chapa en dirección a la placa matriz, pueden
observarse, en los conceptos preliminares, la falta de un mecanismo que impida el
retorno de la tira metálica. Se descarta el uso de un cilindro neumático adicional porque
esto implica un aumento en los costos de fabricación del dispositivo, hace más complejo
el sistema neumático y demanda mayor cantidad de accesorios. Para darle solución a
este inconveniente se aplica el principio de funcionamiento de los rodillos laminadores,
estos realizan una compresión puntual en el instante que hace contacto tangente con la
chapa. Se evalúa el uso de rodillos de aluminio apoyados en un sistema de rodamientos
rígidos de bolas de una sola hilera, sin embargo, esto aumenta los costos de fabricación
y el número de componentes del sistema. Se decide utilizar rodillos de ultrapol, que es
un material sintético con bajo coeficiente de fricción y con características de auto
lubricación, además, es uno de los plásticos de ingeniería más económicos del mercado.
El conjunto de rodillos se monta sobre un par de columnas hechas en acero para
maquinaria, ensamblado con un tornillo a la placa base. En el extremo superior se
instala un resorte helicoidal de alambre redondo, con el fin de ejercer una fuerza
controlada sobre la chapa metálica en el momento de su paso por el sistema, evitando el
levantamiento de la misma. Los resortes son fáciles de conseguir, presentan bajo costo y
se pueden configurar las dimensiones de acuerdo a la necesidad del equipo.
71
Ilustración 50 Sistema pisador de lámina auxiliar
Fuente: Autores.
Para la fabricación de los resortes, se recomienda el uso de un alambre estirado duro,
AISI 1066, equivalente a un alambre ASTM A227-47, ya que este material es de uso
general y es el más económico, además, el diámetro de alambre seleccionado está
disponible en el mercado. Para la aplicación específica en el sistema alimentador de
chapa metálica, la duración y exactitud no son influyentes.
La principal característica de diseño a considerar es la carga que debe soportar el
resorte, se estima que, para evitar deslizamiento de la chapa metálica, el resorte debe
ejercer una fuerza de tres veces la ejercida por la tira metálica, es decir 87N. Para mayor
distribución de carga se deben utilizar resortes esmerilados y a escuadra. Los
parámetros de diseño, la valoración de los datos correspondientes a la longitud libre del
resorte y la compresión máxima, y el cálculo del índice del resorte en donde se debe
tener en cuenta algunas constantes que varían de acuerdo al diámetro del alambre, se
presentan en el anexo 15.
La iteración de parámetros del resorte variando el diámetro del alambre se presentan
también en el anexo 15. Los valores del diámetro de alambre utilizados son
normalizados con el fin facilitar la adquisición del resorte.
Un parámetro de selección es 4<C<12, con este, se descartan las opciones cuyo
diámetro de alambre es igual o supera el valor de 2,77mm. Para un diámetro de
0,79mm, el cálculo genera error debido a que la carga es muy alta para dicha geometría,
y al optimizarlo para soportar la carga, se obtiene un diámetro interno muy pequeño.
Otro criterio de selección es 3<Na<15, con este se determina que un diámetro posible
para la utilización es de 2mm ya que es el único que cumple con las dos restricciones
impuestas. En la última penúltima fila se presenta el paso teórico que debe tener el
resorte.
72
A continuación, se muestra la tabla de datos del resorte seleccionado, y la comprobación
de la fuerza útil del resorte. Se concluye que es posible el uso de un resorte con
diámetro de alambre de 2mm, ya que genera una carga axial de 92 N, es decir sujeta la
chapa metálica con una fuerza equivalente a la producida por una masa tres veces mayor
a la del tramo de riel.
Tabla 17 Tabla de características del resorte seleccionado
Tabla de características del resorte seleccionado.
Diámetro del
alambre d 1,98 Material
Alambre
estirado duro
Diámetro del
resorte D 14,15 Superficie Lisa y brillante
Índice de resorte C 7,15
Norma
ASTM A227-
47
Diámetro
externo DE 16,13 AISI 1066
Diámetro
interno DI 12,17
Extremos a escuadra y
esmerilados
Espiras activas Na 5,84 Longitud libre
(mm) 40
Espiras totales Nt 7,84
Longitud sólida Ls 15,52 Longitud de
compresión(mm) 10
Longitud Libre Lo 39,00
Paso teórico p 6,17
Fuerza axial (N) 92 Paso para
fabricación pa 6,00
Fuente: Autores.
7.10. PLACA SOPORTE Y ANCLAJE A MÁQUINA
Después de dimensionar el sistema en su totalidad, se procede a diseñar el bastidor del
equipo, que se compone de una placa de acero ASTM A36, en la cual se mecaniza una
guía que permite alinear el sistema con el troquel instalado en la prensa. También se
diseñan tres bridas que permiten la fijación del bastidor a la mesa de operaciones de la
troqueladora, como se muestra en la siguiente ilustración.
73
Ilustración 51 Placa soporte y bridas de sujeción
Fuente: Autores.
La placa se dimensiona de tal forma que permite adaptar todos los subsistemas
anteriores por medio de la fijación con tornillos de cabeza cilíndrica, desde la parte
inferior. Con lo anterior, se evitan interferencias que podrían ocasionarse con el uso de
tornillos de cabeza hexagonal. Ya que el tipo de tornillo seleccionado requiere del
mecanizado de un abocardado para contener su cabeza, el espesor de la placa debe ser
suficiente para mantener suficiente pared metálica y no crear puntos de concentración
de esfuerzo.
Ilustración 52 Cavidad para instalación de tornillo de cabeza cilíndrica
Fuente: Autores.
Para la sujeción y adaptación del sistema alimentador, se diseñan bridas metálicas que
se ajustan a la mesa de trabajo. Una brida central cuenta con un sistema de cuña que
permite la alineación horizontal entre el bastidor del alimentador y la paca base del
troquel de punzonado. Adicionalmente se diseñan dos bridas laterales que se instalan
directamente sobre la mesa de trabajo de la troqueladora. En la zona de fijación del
bastidor, se mecaniza una ranura guía que permite la lineación del troquel con todo el
sistema de alimentación. Para su fabricación se deben hacer dos perforaciones en
coordenadas específicas, y con ayuda de un escariador, eliminar el material sobrante a
fin de facilitar el montaje en la fresadora.
A continuación se presenta el sistema anclaje del dispositivo alimentador.
74
Ilustración 53 Descripción del bastidor y sistema de anclaje
Fuente: Autores.
Para garantizar la resistencia de las bridas, mediante una simulación se aplica una carga
de 230N producidas por el peso del dispositivo, y se observa el comportamiento
mecánico de las mismas.
Para la brida central se obtienen los siguientes resultados:
Ilustración 54 Esfuerzos de Von Misses en brida de sujeción central
Fuente: Autores.
Como se puede apreciar, el mayor esfuerzo producido en la brida es mucho menor al
límite elástico de la misma, por lo tanto, no hay riesgo de rotura. Esto se corrobora en la
imagen que se presenta a continuación, donde se muestra el factor de seguridad.
75
Ilustración 55 Factor de seguridad de la brida de sujeción central
Fuente: Autores.
Este procedimiento se repite con las bridas laterales, obteniendo resultados similares,
como puede observarse en las siguientes gráficas.
Ilustración 56 Esfuerzo de Von Misses en bridas de sujeción lateral
Fuente: Autores.
76
Ilustración 57 Factor de seguridad de las bridas de sujeción lateral
Fuente: Autores.
7.11. DISEÑO FINAL DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CHAPA
METÁLICA
Ya que el riel chanel es fabricado en secciones de 2.4 m y el espacio disponible no
permite el acercamiento del sistema de avance para introducir completamente los
tramos de lámina, es necesario instalar un sistema simétrico en la salida de la
troqueladora que permita halar la chapa en el instante que el sistema de avance inicial
no pueda transmitirle movimiento.
El montaje completo se puede ver en la siguiente ilustración.
Ilustración 58 Sistema de alimentación de riel chanel
Fuente: Autores
77
8. DATOS DEL PROCESO CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL
ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA
En esta sección se presentan los datos estimados para el proceso de producción de riel
chanel, a partir de la reducción de tiempos calculados al implementarse el alimentador
de chapa metálica propuesto.
8.1. TIEMPO DE TROQUELADO DE RIEL CHANEL CON EL
ALIMENTADOR
El tiempo de troquelado se calcula a partir de la simulación del sistema neumático,
controlado a partir de lógica cableada, para el cual se utiliza el programa “Festo
fluidsim”, y se obtiene un valor promedio de 3,2 segundos por ranura.
Ahora bien, teniendo en cuenta que cada riel tiene 42 ranuras, se obtiene un tiempo total
de troquelado por riel de 134,4 s/riel.
Tabla 18 Tiempo de troquelado con alimentador de chapa metálica
CÁLCULO DEL TIEMPO DE TROQUELADO POR RANURA
Tiempo de troquelado de ranura 3,6 s/ranura
Ranuras por riel 42 ranuras/riel
Total tiempo de troquelado por riel 151,2 s/riel
Fuente: Autores
8.1.1 Tiempo muerto por lote de producción
Debido a que el sistema de alimentación de chapa se realiza de forma continua, los
tiempos muertos en la operación de troquelado se reducen a cero.
8.1.2. Error humano en el proceso de troquelado riel chanel
Teniendo en cuenta que el sistema trabajará con los mismos parámetros, el costo
generado por errores humanos se reduce a cero para el proceso de fabricación de riel
chanel.
8.2. TIEMPO PROMEDIO DE PRODUCCIÓN
Con base en la información anterior, se calcula el nuevo tiempo promedio de
producción del riel chanel con la implementación del alimentador de chapa metálica.
78
Tabla 19 Tiempo de producción de riel chanel con alimentador de chapa metálica
TIEMPO DE PRODUCCIÓN DE RIEL CHANEL CON
ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA
Tiempo de corte 5 s
Tiempo de troquelado 151,2 s
Tiempo de marca de doblado 8 s
Tiempo de doblado 20 s
Tiempo total de fabricación por riel 184,2 s
Fuente: Autores
8.3. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD DE RIEL CHANEL CON EL
ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA
Se realizan las estimaciones de los costos operativos para la producción de riel chanel,
con la implementación del sistema de alimentación de chapa metálica propuesto. En
esta aproximación se tiene en cuenta el valor de la materia prima señalado en la sección
anterior, el costo de la mano de obra con base en un salario de $900.000 más
prestaciones sociales ($48.000/hora), la eliminación de los tiempos muertos y las
pérdidas por error humano, y se determina la utilidad mensual. El análisis de costos
operativos para la fabricación de riel chanel con el sistema de alimentación de chapa
metálica, que se hace para cada espesor de lámina que se utiliza en la empresa PH&ES,
puede observarse detalladamente en el anexo 16.
A partir de los cálculos anteriores, se determina el costo total de producción de PH&ES
para poder suplir la demanda actual, correspondiente a 1200 unidades mensuales (300
unidades de cada calibre), teniendo en cuenta la implementación del sistema de
alimentación de chapa metálica, y se halla la utilidad mensual, discriminado por calibre.
Tabla 20 Costos de producción y utilidad mensual con el sistema de alimentación de
chapa metálica
Fuente: Autores.
8.4. INVERSIÓN EN EL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CHAPA
METÁLICA
Teniendo en cuenta las cotizaciones solicitadas en las empresas Micro automación,
Eléctricas Bogotá, Inversiones metalúrgicas, Oxicortes y aceros de Carvajal, Oxicortes
79
Barbosa y Acefer, se obtiene un costo total del proyecto de $9.950.564. Sin embargo,
La inversión que corresponde a la empresa PH&ES, es de $6.467.867, ya que no
incurren en costos generales ni de diseño. La cotización de componentes eléctricos se
genera vía telefónica por la empresa Eléctricas Bogotá, y la cotización de los
componentes neumáticos la genera la empresa Micro automación, y es enviada al correo
de los autores. Estas cotizaciones pueden observarse detalladamente en el anexo 17.
El cálculo de valor de la materia prima para fabricación, se realiza obteniendo el valor
por kilogramo con IVA incluido de cada uno de los materiales a utilizar, basados en el
mercado local, con los precios de venta de empresas como Oxicortes y aceros del
Carvajal, Inversiones metalúrgicas, y Oxicortes Barbosa y Acefer. El listado de precios
de materiales de fabricación del alimentador de chapa metálica se presenta en el anexo
17.
8.4.1. Estimación de costos de fabricación
Con base en la información plasmada en el libro The mechanical design process10 el
costo de fabricación se puede estimar como el 15% del valor total del proyecto, el 50%
corresponde a materiales, 5% a diseño y 30% a gastos generales.
Ilustración 59 Costo de mano de obra como fracción del costo de manufactura total
Fuente: ULLMAN. David G. The mechanical design process. 4 ed. McGraw Hill, 2003.
4p.
Haciendo uso de este razonamiento, se tiene el costo total de materiales.
10 ULLMAN David G. The mechanical design process. 4 ed. McGraw Hill, 2003. 4p.
80
Tabla 21 Costo total de materiales del alimentador de chapa metálica
Costo total de componentes
neumáticos $3.470.997
Costo total de componentes eléctricos $1.272.110
Costo total de materia prima $232.175
COSTO TOTAL DE
MATERIALES $4.975.282
Fuente: Autores
Tabla 22 Costo total del proyecto
COSTO DE MATERIALES 50% $ 4.975.282
COSTO DE PROCESO DE FABRICACIÓN 15% $ 1.492.585
COSTO DE DISEÑO 5% $ 497.528
GASTOS GENERALES 30% $ 2.985.169
COSTO TOTAL DEL PROYECTO 100% $ 9.950.564
INVERSIÓN DE PH&ES 65% $ 6.467.867
Fuente: Autores
8.5. ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTO DE PRODUCCIÓN Y UTILIDAD
MENSUAL: PROCESO ACTUAL VS PROCESO MEJORADO
Se realiza un análisis comparativo de los costos y utilidad mensual del proceso de
fabricación actual de riel chanel y el proceso de fabricación con el sistema de
alimentación de chapa metálica.
Tabla 23 Análisis comparativo de costos de producción y utilidad proceso actual vs
proceso mejorado
Fuente: Autores
Se puede evidenciar que al implementar el sistema de alimentación de chapa metálica
automático en la fabricación de riel chanel, se reducen los tiempos muertos y de error
humano, se obtiene una disminución en el tiempo de troquelado de 49,6%. Así mismo,
la reducción en los costos de producción es del 6,03% y el aumento en la utilidad
mensual es de 8,9% que equivale a $614.426.
COSTO TOTALPRECIO TOTAL
DE VENTA
UTILIDAD
MENSUALCOSTO TOTAL
PRECIO
TOTAL DE
VENTA
UTILIDAD
MENSUAL
14 300 3.135.000$ 4.800.000$ 1.665.000$ $ 3.288.557 $ 4.800.000 $ 1.511.443
16 300 2.665.200$ 4.350.000$ 1.684.800$ $ 2.818.777 $ 4.350.000 $ 1.531.223
18 300 2.249.700$ 4.050.000$ 1.800.300$ $ 2.403.392 $ 4.050.000 $ 1.646.608
20 300 1.517.100$ 3.270.000$ 1.752.900$ $ 1.670.700 $ 3.270.000 $ 1.599.300
TOTAL 1200 9.567.000$ 16.470.000$ 6.903.000$ $ 10.181.426 $ 16.470.000 $ 6.288.574
PROCESO MEJORADO
CALIBREDEMANDA
MENSUAL
PROCESO ACTUAL
ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS DE PRODUCCIÓN Y UTILIDAD PROCESO ACTUAL VS PROCESO MEJORADO
81
Para calcular el tiempo en el que se retorna la inversión de $6.467.867 se debe tener en
cuenta que se debe realizar un chequeo de rutina cada 5 meses, el cual dura
aproximadamente una hora.
Por tanto, se tiene:
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = $6.467.867
$614.426/𝑚𝑒𝑠= 10.5 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠
Dado que la inversión se retorna en 10 meses, el tiempo de no afecta considerablemente
el cálculo.
82
9. CONCLUSIONES
➢ Al realizar el estudio preliminar del proceso de fabricación de riel chanel, se
determinaron los tiempos de producción en cada una de las fases. Para el corte se
obtuvo un tiempo promedio de 5 segundos haciendo uso de la cortadora eléctrica; y con
la cortadora manual, el tiempo promedio fue de 10 segundos. Al observar el tiempo
promedio en la etapa de troquelado, se obtuvo que la duración de esta tarea es de 300
segundos, correspondientes al 90% del total del tiempo de producción de riel chanel. En
la etapa del doblado de la chapa metálica, se observó que se invierten 8 segundos en
promedio para hacer las marcas que permiten identificar en dónde se debe hacer el
doblez, y el total de tiempo de ejecución de la tarea es de 28 segundos. Por lo tanto, el
tiempo promedio para la fabricación de una unidad de riel chanel actualmente es de 333
segundos.
➢ Entre las ventajas que se identificaron del proceso actual de troquelado se
pueden nombrar que hay un menor tiempo de distracción del operario en la ejecución de
la tarea y se realiza un control de calidad para cada ranura troquelada, sin embargo,
entre las desventajas se pueden mencionar que hay un mayor desgaste físico y mental
del operario, se aumenta el riesgo de accidente y hay un incremento en los costos
operativos debido a tiempos muertos y errores humanos.
➢ Aunque los costos equivalentes al tiempo muerto de mano de obra y errores
humanos son pequeños, están haciendo disminuir la utilidad de PH&ES, por concepto
de producción de riel chanel, en un 5% mensual.
➢ Aunque PH&ES puede suplir la demanda actual del producto, 1200
unidades/mes, tarda 14 días en el proceso de fabricación que equivale al 50% del tiempo
laboral de producción. Esto conlleva a que el tiempo de respuesta para la entrega de los
otros productos de su portafolio se reduzca, y en ocasiones, no puedan cumplir los
tiempos de entrega pactados con los clientes.
➢ Se determinó que para mejorar los tiempos y costos de fabricación de riel
chanel, la mejor opción es la reducción del tiempo de troquelado. Para determinar y
priorizar los requerimientos del cliente, analizar los productos existentes en el mercado,
generar diferentes conceptos preliminares, comprender la secuencia de trabajo,
identificar la mejora del proceso, y evaluar la aceptación entre las partes interesadas se
utilizan las metodologías de diseño QFD, análisis funcional, modelo de caja negra,
modelo de caja gris, los seis sombreros para pensar, check list, jerarquización por
subsistemas e integración de conceptos por combinación. Los resultados al aplicar
dichas metodologías permitieron identificar que, para disminuir el tiempo de
troquelado, se requiere la implementación de un sistema de alimentación de chapa
metálica automatizado que cuenta con una red electro-neumática y sistemas de
83
calibración y posicionamiento de la chapa metálica dentro del dispositivo, manteniendo
la calidad de los productos de PH&ES.
➢ Al realizar el cálculo de los requisitos de ingeniería para el correcto
funcionamiento del sistema de alimentación, se tomó como base la red neumática de
PH&ES, y se diseñaron el sistema electro-neumático y los componentes mecánicos para
cumplir la ejecución automática del proceso de troquelado. Durante la simulación se
obtuvo un tiempo promedio de troquelado de cada ranura de 3,6 segundos, y en total, un
tiempo promedio de troquelado por unidad de riel de 151,2 segundos. Esto significa que
el tiempo de troquelado se redujo en un 49,6%, superando las expectativas del 40% que
se plantearon inicialmente.
➢ Con la reducción del tiempo de troquelado la empresa podrá suplir la demanda
de las 1200 unidades mensuales en 11 días, es decir, que se presenta una reducción de 7
días con respecto a los tiempos actuales de producción de riel chanel. Además, se
estimó un aumento en la utilidad mensual de la empresa por concepto de fabricación de
riel chanel de 8,9% y una reducción de los costos operativos mensuales de 6,03%.
➢ La implementación del sistema permitirá eliminar los costos operativos
generados por los tiempos muertos de operación y errores humanos, que actualmente
equivalen al 5% de los costos operativos mensuales.
➢ La inversión parcial para la fabricación del sistema de alimentación de chapa
metálica automatizado, se calculó con base en las cotizaciones solicitadas para el
sistema neumático y mecánico, que asciende a $6.467.867. El tiempo de recuperación
de la inversión se calculó en 10,5 meses, teniendo en cuenta las dos paradas de 1 hora
cada 5 meses para hacer el chequeo de rutina. Para determinar un costo total del
proyecto se debe realizar un estudio de mercado detallado.
84
10. RECOMENDACIONES
➢ Para llevar a cabo la fabricación del sistema de alimentación de chapa metálica y
reducir los tiempos de producción de la chapa metálica, se deben seguir los parámetros
establecidos en la sección 7, y hacer uso correcto de los planos de fabricación.
➢ Una opción considerable para llevar a cabo el proceso de fabricación de riel
chanel es usar lámina continua en rollos de grandes longitudes y no tramos de 2.4mts, a
fin de simplificar el sistema de alimentación y reducir costos operativos.
➢ La maquinaria de la empresa PH&ES debe reubicarse de tal forma que los
equipos utilizados para la fabricación de riel chanel sean consecutivos y reduzcan el
tiempo de movilización de materia prima.
85
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87
ANEXOS