instituto tecnolÓgico superior de tepexi de rodrÍguez
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR
DE TEPEXI DE RODRÍGUEZ
Código Reporte : 490
Academia De Ingeniería Mecánica
Asignatura Mecánica De Fluidos
Docente Ing. Rene Miranda
Tepexi de Rodríguez, Puebla. 25 de Septiembre de 2012
REINGENIERIA Y CONSTRUCCION DE PRENSA HIDRAULICA
TIPO “C” DE CAPACIDAD DE 1.47e6 N (150 Ton)
Ing. Rene Miranda Simón – Docente y Asesor
ITSTR – www.itstepexi.edu.mx
Academia de Ingeniería Mecánica
Proyecto #1 del 5° Semestre de la Carrera
Tepexi de Rodríguez, Puebla – MEXICO
[email protected] , [email protected]
RESUMEN
SANLUIS© Rassini requería de una prensa de 1.47e6 N, con la finalidad de optimizar el proceso
de manufactura de perforación de muelles tipo automotriz. Dado que en el mercado no se
encontró alguna prensa que satisficiera con los requerimientos del proceso, se decidió diseñar y
construir la prensa para este propósito. En el presente trabajo se muestran las diferentes etapas
que se llevaron acabo en el proceso de diseño y manufactura de la prensa, en donde la
computadora juega un papel importante, ya que se utilizó software para dibujo (CAD), para
representar principalmente las dimensiones, ajustes y tolerancias, software para la fabricación de
partes de la prensa que requerían maquinado con precisión de control numérico (CAM), para el
análisis estructural, diseño mecánico de elementos se utilizaron otros programas (CAE) y paquete
para la gestión del proyecto (Managament Project). En la fabricación de la prensa, se empleo
tecnología e infraestructuras propias, así como, materiales de alta calidad nacionales logrando un
bajo costo de fabricación. Finalmente la prensa permitió beneficiar el proceso de manufactura en
un muy importante incremento.
PALABRAS CLAVE: Prensa, Hidráulica, MEF, Manufactura, Reingeniería.
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INTRODUCCIÓN
La prensa es hoy en día la máquina mas solicitada para transformar mecánicamente la materia prima con precisión,
su desarrollo tecnológico va a la par de los más avanzados procesos de manufactura. El presente trabajo muestra el
proceso de reingeniería que se utilizó para la fabricación de una prensa hidráulica de 1.47E6 N que se utiliza para la
fabricación de muelles del tipo automotriz por parte de la empresa SANLUIS©
Rassini. Este trabajo se dividió en
cuatro partes que son: El diseño Mecánico, el Estructural, el Hidráulico y el Eléctrico, además de apoyarse de un
paquete en la Administración de Proyectos para su manufactura.
ANTECEDENTES
El proceso de manufactura a la cual nos referimos, presentaba la problemática de realizar el trabajo de perforado en
una operación en caliente en donde se tenia que exponer las piezas al interior de un horno de calentamiento por un
tiempo mínimo de 15 minutos y a una temperatura promedio de 500°C. Esto para lograr realizar las tres
perforaciones del componente en un solo paso ya que la dureza inicial del material era de 35HRC con espesores de
hasta 15.0 mm y un diámetro de perforación de 9.5 a 14.5 mm. Además para realizar esta operación se requería de 4
operadores que realizan las siguientes funciones: 1) cargar el horno, 2) descargar el horno, 3) perforar en prensa y 4)
relevo de los tres anteriores por las condiciones ambientales y dificultad de operación que se tenía (ver fig. 1 izq. y
der.).
Fig. 1.: Izq.- Fotografía del proceso; Der.- Dibujo de Ensamble de Muelle Automotriz
FACTIBILIDAD
Una vez definido el problema, se procedió a buscar una prensa en el mercado que cubriera las necesidades del
proceso y adquirirla, sin embargo se tuvieron varios problemas: El primero fue de que no se encontró existencia de
una máquina con tales características; segundo el costo de las máquinas resultó ser excesivo ya que se incluían
accesorios adicionales que no se requieren y el último fue que las empresas podían fabricar la prensa pero a un costo
muy alto y un tiempo de entrega relativamente grande, por lo que se decidió fabricarla considerando que se tenía la
técnica para hacerlo, así como las existencia de los materiales a nivel nacional y no considerar la exportación.
Por lo anterior se procedió a efectuar el diseño, en el cual se utilizaron herramientas de Diseño Asistido por
Computadora (CAD), además de la normatividad correspondiente, la cual incluía los dibujos, el dimensionado,
ajustes, etc.
Por otro lado se trabajó con los programas para la fabricar algunas piezas con máquinas de control numérico en la
Manufactura Asistida por Computadora (CAM). También se tiene realizó el cálculo estructural a través del Método
de los Elementos Finitos por la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE) y se utilizó un paquete específico para la
Administración de Proyectos, el cual consideró el aspecto financiero para la fabricación de la prensa. También se
generó un cuestionario que consideró los principales características y especificaciones de la prensa (ver tabla 1) a
partir de la cual se realizó el diseño de los componentes.
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Tab. 1: Característica y especificaciones de los elementos de la prensa. Tabla de Especificaciones y Mejoras Vs. Otras Prensas Hidráulicas
Nombre Cliente : Rassini Autopartes SA de CVFecha : Abril 10, 2006
Especificaciones Tecnicas Generales
Toneladas de Capacidad 120 Ton 150 Ton 25%
Carrera de Carro Troquel 8 pulg. 8 pulg.
Claro libre entre Platinas 5 pulg. 5 pulg.
Altura de la Prensa 92 pulg. 110 pulg. 20%
Ancho de la Prensa 26 pulg. 31 pulg. 19%
Profundidad de la Prensa 50 pulg. 70 pulg. 40%
Peso de la Prensa Ensamblada 6 Ton 9,5 Ton 58%
Especificaciones Operacionales
Tipo Proceso Manufactura 1000%
Velocidad Avance Carro Troquel 1,85 pulg./seg. 3 pulg./seg. 62%
Velocidad Regreso Carro Troquel 2,7 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 63%
Presión Punto:Alto Caudal-Baja Presión 600 lb./pulg2 2500 lb./pulg2
Presión Punto:Bajo Caudal-Alta Presión 500 lb./pulg2 2150 lb./pulg2
Potencia Hidráulica 22,9 Kw. 30,5 Kw. 33%
Capacidad Tanque Aceite 600 lts. 850 lts. 42%
Diseño Estructural
Espesor de placa del Bastidor 2,5 pulg. 4 pulg. 60%
Material de fabricación Bastidor
Soportes Alto Impacto No Si
Peso de Conjunto Bastidor 4 Ton 6,5 Ton 63%
Tipo de Soldabilidad 75%
Placa Base Cilindro 3 pulg. 4 pulg. 33%
Diseño Mecánico
Platina Inferior 4x24x26 pulg. 4x27.5x31 pulg. 37%
Platina Superior 2x10x16 pulg. 4x13x20 pulg. 125%
Carro Troquel 11x12x12 pulg. 12x12x19 pulg. 72%
Guía Carro Troquel 3.7x12x12 pulg. 3.7x12x12 pulg.
Brida de enlace Carro Troquel 3.5x7x8 pulg. 5x10x12 pulg. 106%
Extensión de Vástago 5.5 x 16 pulg. 8 x 25 pulg. 127%
Control Carrera Cilindro Superior No Si 100%
Control Carrera Cilindro Inferior No Si 100%
Diseño Hidráulico
Potencia Hidráulica 31,1 Hp 41,3 Hp 33%
Caudal de Bomba Hidráulica 74 GPM 118 GPM 59%
Velocidad de Avance 1,85 pulg./seg. 3 pulg./seg. 62%
Velocidad de Retorno 2,7 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 63%
Cilindro Hidráulico 14x8x8 pulg. 14x8x8 pulg.
Presión Mínima 500 lb./pulg2 500 lb./pulg2
Presión Máxima 2500 lb./pulg2 2500 lb./pulg2
Enfriamiento Unidad Hidráulica 100%
Diseño de Control Eléctrico
Componentes Tablero Eléctrico Varios 100%
Componentes Estación de Operador No Si 100%
Potencia Motor Eléctrico 30 Hp 40 Hp 33%
Manufactura, Ensamble e Instalación
Diseño con Facilidad de Manufactura No Si 100%
Diseño con Facilidad de Ensamble No Si 100%
Diseño con Facilidad de Mantenimiento No Si 100%
% de
MejoraOtros Fabricantes Nosotros
ASTM A-36
Perforado 11 Procesos más
Capacidades
ASTM A-36
Descripción
Eq. Original Siemens
Fluxes Agua Air Oil Cooler
Alta Espec. AWSBaja
APLICACION
La aplicación será para la perforación de muelles de uso automotriz que fabrica Rassini Planta Xalostoc y que
agilizará el proceso de manufactura. Sin embargo la máquina puede aprovecharse para otros fines en la industria
metal mecánica como son:
Tab. 2: Operaciones que se pueden realizar con la prensa.
Aplicaciones
Formado
Doblado
Perforado
Troquelado
Forjado
Despunte
Avellanado
Estampado
Extracción
Calibrado
Corte
Remachado
Prensado
Destaje
Marcado
Ensamble
Etc.
Muchas empresas de la industria metal mecánica fabrican piezas con estos procesos y con prensas de este tipo como
son: la automotriz, la naval, la aeronáutica, etc., y los ejemplos se pueden dar en una gran variedad.
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PROYECTO
Se desarrolla el plan y programa general del proyecto (fig. 2) utilizando un software de Administración de Proyectos
[1] generando más de 500 actividades del proyecto, las cuales incluían las que ya se comentaron, además de la
planeación de tareas, recursos, gastos, etc. Como se observa, el proceso de manufactura de un producto es cada vez
más multidisciplinario y al mismo tiempo se tienen más herramientas de cómputo que facilitan el trabajo de
ingeniería. A continuación se muestra una lista de los conceptos y los requerimientos generales de la prensa:
Equipo Industrial: Prensa de Potencia Hidráulica Tipo “C”
Capacidad Nominal: 1.47e6 N (150 ton)
Tiempo Ciclo: 4.5 seg. (13.2 ciclos por minuto)
Longitud de Movimiento: 0.2m (Carrera Cilindro)
Cabe comentar que la Aprobación y Liberación del Proyecto no correspondió a nuestro departamento, el
departamento de calidad y procesos, que trabaja este concepto realizó la validación correspondiente.
Fig. 2: Programa general del proyecto. (2/4 hojas)
6. DISEÑO ESTRUCTURAL
Para iniciar el diseño estructural se retomaron los dibujos correspondientes a la prensa en los cuales se y definieron
dimensiones, tolerancias y ajustes de acuerdo a la normatividad ISO [2]. Posteriormente se procedió al modelado
de la misma en un software (ANSYS) por el método de elementos finitos. El primer paso fue generar la geometría de
la prensa, se continuo con la selección de los elementos, que en este caso se manejaron dos tipos Shell-63 y Beam 44
[3], con esto se procedió a generar la malla (fig. 3 izq.), se establecieron las condiciones de frontera, así como las
condiciones de carga, aquí estamos hablando de la carga que ejerce la herramienta sobre el material al momento de la
operación y finalmente ejecutar el cálculo correspondiente, obteniéndose lo siguiente:
Fig. 3: lado izq.: Malla final; lado der.: Nodos de los elementos.
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En la fig. 4 izq. se tiene una simulación de la deformación de la prensa por la carga determinándose que es
adecuada, el Desplazamiento máximo que se obtuvo fue de 0.124e-5 m, la fig. 4 der. muestra los esfuerzos en la
prensa, encontrándose: Esfuerzo mínimo (SMN) = -0.011113 Mpa (Compresión) y Esfuerzo máximo (SMX) =
200,894 Mpa (Tensión). Analizando la fig. 4 der., observamos que la parte crítica se encuentra en el interior de la
“C” de la prensa (por los colores, que en este caso es el verde más intenso), lo cual también es correcto y además
validado por el comportamiento en este tipo de estructuras.
Fig. 4: lado izq.: Desplazamientos ò deformaciones; Lado der.: Esfuerzos
El cálculo dinámico se realizó con la ayuda del mismo paquete, sin embargo de antemano sabíamos que las
frecuencias de vibración son pequeñas (ver tabla 3), lo que fue confirmado.
Tabla 3: Modos y frecuencias de vibración de la prensa.
Modo Frecuencia (Hz)
1 24.934
2 25.814
3 31.273
4 36.792
5 41.165
DISEÑO HIDRÁULICO.
Primeramente se establecieron los caudales adecuados y necesarios para el sistema con el objeto de evitar que el
sistema sufra calentamientos, caídas de presión, ruptura de mangueras, así como daños prematuros en los
componentes del sistema, obviamente todo esto a través de la memoria de cálculo. Una vez hecho lo anterior se
procedió a diseñar y fabricar el cilindro hidráulico, el block manifold de válvulas y el tanque de aceite (fig. 5 y 6),
para posteriormente seleccionar los componentes y crear la unidad de potencia hidráulica de gran eficiencia.
Fig. 5: Izq. Memorias de cálculo; Der. Diagrama Hidráulico de la prensa.
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Es de gran importancia el diagrama hidráulico (ver fig. 5 der.) debido a que en el se muestra la estructura de
funcionamiento de la prensa [4] como se comenta a continuación.
Fig. 6: Lado izq.: Diseño de cilindro, Lado der. Diseño de block manifold
La unidad de potencia hidráulica de la prensa cuenta con un control que nos da una precisión que logra una gran
variedad de aplicaciones, con un control de carga y velocidad de operación del 20% al 100% optimizando su uso con
componentes y elementos hidráulicos de clase estándar, de bajo costo y larga vida de operación casi libres de
mantenimiento. Está incorporado un sistema de control adicional en la prensa para proteger los elementos
hidráulicos, generando un ahorro energía eléctrica. También se emplea un sistema de triple filtración para el control
de la contaminación del aceite en la aplicación de un mantenimiento pro-activo y un intercambiador de calor de aire
forzado (Air Cooler).
DISEÑO MECÁNICO
Los elementos mecánicos en la prensa se desarrollaron siguiendo los criterios en los estándares y normas ISO, al
proyectar esta máquina se idearon los criterios y factibilidades para tener las mejores condiciones de operación. Uno
de los componentes mecánicos más importantes en la prensa es la operación y control del carro troquel con sus guías
(Fig. 7), la cual se consideró con ocho puntos de control y con la suficiente área de contacto. Esto asegura que
cuando la prensa trabaje en su ciclo de perforado (fig. 8) se tenga el máximo control de las desalineaciones por los
esfuerzos generados.
Fig. 7: Puntos de control del carro troquel.
Fig. 8: Elementos del ciclo de perforado.
Ya establecidos los criterios adecuados de operación se procede al diseño de los componentes (fig. 9) de la prensa
para pasar posteriormente a la manufactura y ensamble de los mismos. En esta parte es muy importante considerar
los criterios de las normas sobre tolerancias geométricas, tolerancias direccionales y calidades superficiales [5], para
que las piezas sean ensambladas y funcionen correctamente.
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Fig. 9: Diseño mecánico para la manufactura de partes.
Las partes componentes y elementos mecánicos de la prensa; son, Platinas, Carro Troquel, Guías, Bujes, Placas,
Herramientas, etc. y cuentan con las siguientes características:
Dimensiones optimas de operación y funcionamiento; Materiales de alta calidad.
Tolerancias dimensiónales, geométricas y acabados superficiales.
Facilidad de ensamble, operación y mantenimiento.
Las platinas son de grandes dimensiones 84" x 36”
Las platinas son fijas, (pueden ser rotacionales, con sistema de calentamiento ò enfriamiento para moldeos).
Paralelismo máximo entre platinas de 0.015”
La superficie de la platina tiene una planicidad de 0.007”
Un acabado superficial de las platinas de 30 RMS.
Platos de seguridad de operación de la prensa.
DISEÑO ELÉCTRICO
El diseño eléctrico se basó en el ciclo de trabajo que se requería, que en este caso considera el modo manual y el
modo automático como ya se comentó anteriormente, esto permitió generar el diagrama eléctrico (ver fig. 10). Sin
embargo era necesario cubrir tres opciones en el modo automático que son: Encendido por pedal, encendido por
botones a dos manos que incluso evitan que el operador exponga las manos en el proceso y el último encendido una
vez que la pieza está colocada de manera correcta, en el caso del modo manual solo son dos: Interruptores y
selectores. En ambos casos se colocaron sensores de posicionamiento, con lo anterior se determinaron los consumos
y potencias de los componentes con la ayuda de tablas. Finalmente se procedió al ensamble de los subsistemas.
Fig. 10: Diagrama de Control y Componentes Eléctricos
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Como se observa en el diagrama, el control de la prensa no requiere de un PLC en este caso esto es mejor porque las
condiciones ambientales de trabajo de la prensa son extremas (polvo, calor, vibración). El sistema utiliza elementos
con los más altos estándares en la calidad de su fabricación y gran eficiencia (Motores, Contactores, Reveladores,
Tableros, Tablillas, Transformadores, Sensores, etc.).Sin embargo, la prensa es susceptible de mejorarse utilizando
controles electrónicos, interfaces de computo y sistemas de monitoreo por computadora.
ENSAMBLE
El ensamble de la prensa se inició a partir de los sub-ensambles como son el cuerpo ó la estructura de la prensa, el
cilindro hidráulico, la unidad de potencia hidráulica, el tablero de control eléctrico y las demás partes y componentes.
SEGURIDAD
Nuestra prensa hidráulica es segura, ya que se utilizaron controles a dos manos, protectores enlazados, así como, una
cortina electrónica. Se tiene integrado otro control que esta en el sistema hidráulico el cual es eficiente y de bajo
riesgo, lejos del operador, de partes en movimiento y de la generación de calor, pero que principalmente cumplen
con la normatividad en seguridad industrial para equipos y prensas hidráulicas de operación manual y automática [6].
APROBACIÓN Y LIBERACIÓN
Esta etapa corre a cuenta del departamento de Ingeniería Industrial y Aseguramiento de la calidad, el cual realizó una
producción piloto (PPAP [7]), con la que se determinó la optimización del proceso, para esto se basó con base en los
métodos y procedimientos del sistema de administración de la calidad ISO/TC 16949:2002 de Rassini Planta
Xalostoc, México en el Control de Procesos Claves y de Características Especiales [8].
RESULTADOS
De las principales características y beneficios de la prensa en SANLUIS© Rassini se tienen las siguientes:
1. Productividades altas con tasas de producción logradas de hasta 2,500 componentes por hora.
2. Producciones consistentes con criterios PPAP y Six Sigma.
3. Versatilidad y Velocidades de operación para procesos de manufactura diversos.
4. La potencia ó carga máxima esta disponible y es efectiva en cualquier punto de la carrera de trabajo del
carro troquel.
5. El cambio de herramientas se realiza en minutos (SMED), así como, una larga vida de las mismas.
6. Bajo nivel de ruido de operación de la prensa.
7. Sistemas integrales de seguridad máxima según normatividad. (ANSI B 11.2)
8. Construcción robusta para dar una insuperable longevidad.
9. Facilidad y el costo más bajo de mantenimiento, con elementos libres de mantenimiento y no se requiere de
un pequeño almacén de partes y refacciones.
10. Sellos y empaques de cilindro en perfiles y materiales especiales para alta temperatura y velocidad.
11. Facilidad de operación y automatización.
CONCLUSIONES
La fabricación de la prensa optimizó el proceso de manufactura en la fabricación de las muelles de la empresa
SANLUIS© Rassini, en la cual se logró un incremento en la productividad en un 300% y que fue validado por los
departamento de producción, aseguramiento de la calidad e Ingeniería Industrial. Se abarató el costo de fabricación
eliminando el consumo de combustible para el calentamiento de las muelles, reduciendo la mano de obra directa
(MOD) y demostrando la capacidad de ingeniería de la planta.
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REFERENCIAS
1. Microsoft© Office Project Professional 2007, Management Project,
2. International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Technical drawings, TC Standards
10, pp. 19. 1986.
ISO 128-1982 Technical drawings - General principles of presentation.
ISO 129-1985 Technical drawings - Dimensioning - General principles, definitions, methods
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ISO 406-1982 Technical drawings - Linear and angular tolerancing - indications on drawings.
ISO 1101-1983 Technical drawings - Geometrical tolerancing - tolerancing of form orientation
location and run-out - Generalities, definitions, symbols, indications on drawings.
ISO 1101/2-1983 Technical drawings -Tolerances of form and of position -Part II: Maximum
material principle.
ISO 1302-1978 Technical drawings - Method of indicating surface texture on drawings.
ISO 1660-1982 Technical drawings - Dimensioning and tolerancing of profiles.
ISO 3098/1-1974 Technical drawings - Lettering - Part Y: Currently used characters.
ISO 5455-1979 Technical drawings - Scales.
ISO 5457-1980 Technical drawings - Sizes and layout of drawings sheets.
3. ANSYS, Inc. is a UL registered ISO 9001:2000 Company, Software ANSYS Release 9.0,
Products ANSYS Multiphysics, Element reference > Part I > Element library, 2004.
(FEM, Finite Elements Method)
SHELL63 - Elastic Shell.
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4. International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Fluid Power Systems, TC
Standards 131, pp. 251. 1986.
ISO 1219-1:1991 Fluid Power Systems, Graphic symbols
American National Standards Institute (ANSI),
ANSI AS 1101.1-1991 Graphics symbols for general engineering – hydraulics and pneumatic
systems.
5. Oberg, D. Jones, Horton & Ryffel, Industrial Press Inc. New York, 26th Edition Machinery’s Handbook,
6. ANSI B11 Subcommittees, American National Standards Institute (ANSI), www.webstore.ansi.org,
ANSI B11.2-1995, Hydraulics Power Press – Safety Requirements for Construction, Care, and
Use.
7. Gerencia de Calidad, Rassini Planta Xalostoc, Sistema de Administración de la Calidad, Procedimiento PPAP,
Proceso de Aprobación de Partes para Producción. (PPAP)
8. Gerencia de Operaciones, Rassini Planta Xalostoc, Procedimiento Especifico para la Calificación de Procesos
y Equipos, Código RX/GO/II/05/002. www.sanluisrassini.com