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1 REDISEÑO Y MEJORAMIENTO DE PARTES DE LA SILLA AVANT FIJA PRODUCIDA POR LA EMPRESA INORCA LTDA. HAMILTON NIÑO ARTEAGA MARTIN ELIAS RODRIGUEZ ARANGO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA SANTIAGO DE CALI 2009

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1

REDISEÑO Y MEJORAMIENTO DE PARTES DE LA SILLA AVANT FIJA

PRODUCIDA POR LA EMPRESA INORCA LTDA.

HAMILTON NIÑO ARTEAGA

MARTIN ELIAS RODRIGUEZ ARANGO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI

2009

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REDISEÑO Y MEJORAMIENTO DE PARTES DE LA SILLA AVANT FIJA

PRODUCIDA POR LA EMPRESA INORCA LTDA.

HAMILTON NIÑO ARTEAGA

MARTIN ELIAS RODRIGUEZ ARANGO

Trabajo de grado para optar por el titulo de

Ingeniero Mecánico

Director

FABER CORREA

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI

2009

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en

cumplimiento de los requisitos exigidos por

la Universidad Autónoma de Occidente

para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Héctor Enrique Jaramillo

__________________________________

Jurado

Jesús David Castañeda

__________________________________

Jurado

Faber Correa

__________________________________

Director

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Agradezco a Dios por brindarme su bendición en la culminación de una etapa de

mi vida igualmente agradezco a mi madre, mi esposa y mis hijos por su paciencia

y constante apoyo brindado.

Hamilton Niño Arteaga.

Doy gracias a Dios por permitirme culminar son éxito esta meta.

Agradezco a mi esposa Alba Nora por tenerme paciencia, colaborarme y saber

comprender el sacrificio que ambos tuvimos que hacer.

A mis hijos que los amo mucho y que este logro lo hagan suyo y vean que sólo

con esfuerzo y dedicación es que logramos alcanzar lo que nos proponemos.

Martin Elías Rodríguez Arango.

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AGRADECIMIENTOS

Nuestros más sinceros agradecimientos para la Compañía Inorca Ltda., por

permitirnos el uso de sus instalaciones locativas, el apoyo logístico para la

ejecución de este proyecto de grado.

Se agradece al Ingeniero Edward Orlando Hurtado, por la asesoría brinda durante

el transcurso de este trabajo.

Damos agradecimientos a nuestro director de grado el Ingeniero Faber Correa por

su acompañamiento y orientación para la ejecución de este proyecto.

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TABLA DE CONTENIDO

GLOSARIO ........................................................................................................... 13

RESUMEN ............................................................................................................ 16

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 17

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 18

3. INORCA LTDA .................................................................................................. 19

4. SISTEMA DE MANUFACTURA FLEXIBLE (FMS)............................................ 22

5. PROCESO DE MANUFACTURA ...................................................................... 25

5.1 CONFORMADO DE LÁMINA ..................................................................... 25

5.2 CIZALLADURA ........................................................................................... 26

5.2.1 Fuerza del punzón. ............................................................................... 29

5.2.2 Operaciones de cizalladura ................................................................... 29

5.2.3 Matrices o dados de corte ..................................................................... 36

6. ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS .............................................................. 37

6.1. ANÁLISIS NUMÉRICO .............................................................................. 38

6.2. PASOS BÁSICOS EN EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS ..... 40

6.2.1 Fase de preprocesado. ......................................................................... 40

6.2.2 Desarrollar las ecuaciones para el elemento. ....................................... 40

6.2.3 Aplicar condiciones de contorno, condiciones iníciales y cargas. ......... 40

6.2.4 Fase de solución. .................................................................................. 40

7. ANALISIS Y DISEÑO DE VIGAS PARA FLEXION ........................................... 41

8. COLUMNAS ...................................................................................................... 48

9. OBJETIVO GENERAL ...................................................................................... 53

10. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 54

11. JUSTIFICACION ............................................................................................. 55

12. SILLA AVANT FIJA ......................................................................................... 56

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12.1. COMPONENTES DE LA SILLA............................................................... 58

12.2. PROCESO DE FABRICACION DE LA SILLA ......................................... 60

12.2.1 Sección de corte tela ........................................................................... 61

12.2.2 Sección de costura .............................................................................. 61

12.2.3 Sección de tubos ................................................................................. 61

12.2.4 Sección de troquelado. ....................................................................... 62

12.2.5 Sección de soldadura .......................................................................... 62

12.2.6 Sección de pintura .............................................................................. 62

12.2.7 Sección de espumas ........................................................................... 63

12.2.8 Sección de ensamble .......................................................................... 63

12.3 COSTO PRIMO DE LA SILLA .................................................................. 66

13. PROPUESTA PARAMETRICA DE LA SILLA ................................................. 71

13.1. ARMADURA ESPALDAR ........................................................................ 72

13.2. ARMADURA PATA .................................................................................. 73

13.3. ARMADURA COJIN ................................................................................. 74

14. CALCULO TEÓRICO DEFLEXIÓN EJE DE GIRO COJIN ............................. 76

15. ANALISIS ESTATICO EJE DE GIRO COJIN .................................................. 79

15.1. RESULTADOS DEL ANALISIS ............................................................... 80

15.1.1 Fuerzas de reacción ............................................................................ 80

15.1.2 Momento de reacción .......................................................................... 80

15.1.3 Esfuerzo, deflexión y deformación. ..................................................... 81

16. PRUEBAS DE LABORATORIO Y RESULTADOS .......................................... 84

16.1. PRUEBA DE RESISTENCIA ESTATICA A PATA CON SOPORTE

BRAZO APLICABLE PARA SILLA AVANT FIJA ............................................... 84

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16.2. PRUEBAS DE RESISTENCIA AL HERRAJE COJIN SILLA AVANT FIJA

.......................................................................................................................... 86

16.2.1 Prueba de resistencia estática al herraje cojín silla avant fija ............. 86

16.2.2 Prueba de resistencia dinámica al herraje cojín silla avant fija ........... 89

16.3. PRUEBAS DE RESISTENCIA ESTATICA A LA ARMADURA ESPALDAR

SILLA AVANT FIJA............................................................................................ 89

16.3.1 Prueba de resistencia estática posterior. ............................................ 89

16.3.2 Prueba de resistencia estática frontal. ................................................ 92

17. COSTO PRIMO PROPUESTA AVANT FIJA .................................................. 93

18. CONCLUSIONES............................................................................................ 98

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 100

ANEXOS ............................................................................................................. 102

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Deflexión y pendientes en vigas .............................................................. 47

Tabla 2. Costo primo silla avant fija ...................................................................... 66

Tabla 3. Análisis Costo MOD, MP y TOTAL silla avant fija ................................... 67

Tabla 4. Análisis porcentaje incidencia costo silla avant fija ................................. 67

Tabla 5. Análisis costo componentes pata avant fija ............................................. 68

Tabla 6. Análisis costo componentes cojín avant fija ............................................ 68

Tabla 7. Análisis costo componentes espaldar avant fija ...................................... 69

Tabla 8. Análisis costo componentes silla avant fija ............................................. 69

Tabla 9. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija ........... 70

Tabla 10. Cuadro comparativo entre armaduras de espaldar ............................... 72

actual vs propuesta ............................................................................................... 72

Tabla 11. Cuadro comparativo entre armaduras de la pata .................................. 73

actual vs propuesta ............................................................................................... 73

Tabla 12. Cuadro comparativo entre armaduras del cojín..................................... 75

actual vs propuesta ............................................................................................... 75

Tabla 13. Definición de las propiedades ............................................................... 80

Tabla 14. Fuerzas de reacción eje de giro. ........................................................... 80

Tabla 15. Fuerzas de reacción eje de giro. ........................................................... 81

Tabla 16. Resultados de esfuerzo, deflexión y deformación unitaria. ................... 81

Tabla 17. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para la pata ............ 85

Tabla 18. Valores máximos permisibles de la prueba. .......................................... 86

Tabla 19. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el cojín ............ 88

Tabla 20. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el espaldar ..... 91

Tabla 21. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el espaldar ..... 92

Tabla 22. Costo primo silla avant fija propuesta .................................................... 93

Tabla 23. Análisis Costo MOD, MP y TOTAL silla avant fija propuesta ................ 93

Tabla 24. Análisis porcentaje incidencia costo silla avant fija propuesta .............. 94

Tabla 25. Análisis costo componentes pata avant fija propuesta .......................... 94

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Tabla 26. Análisis costo componentes cojín avant fija propuesta ......................... 95

Tabla 27. Análisis costo componentes espaldar avant fija propuesta ................... 95

Tabla 28. Análisis costo componentes silla avant fija propuesta ........................... 96

Tabla 29. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija

propuesta .............................................................................................................. 96

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Planta manufacturera Inorca Ltda. ......................................................... 21

Figura 2. Máquina cizalla ...................................................................................... 26

Figura 3. Lámina de acero perforada o punzonada .............................................. 30

Figura 4. Troquel perforador ................................................................................. 30

Figura 5. Vigas estáticamente determinadas ........................................................ 42

Figura 6. Vigas estáticamente indeterminadas ..................................................... 42

Figura 7. Acción de fuerzas y momentos en vigas ................................................ 44

Figura 8. Deflexión de vigas .................................................................................. 45

Figura 9. Condiciones de apoyo en columnas ...................................................... 49

Figura 10. Silla Avant Fija (antes) ......................................................................... 57

Figura 11. Componentes silla Avant Fija ............................................................... 58

Figura 12. Componentes espaldar Avant Fija ....................................................... 59

Figura 13. Componentes cojín Avant Fija ............................................................. 59

Figura 14. Componente pata Avant Fija ................................................................ 60

Figura 15. Ensamble espaldar avant fija ............................................................... 64

Figura 16. Ensamble cojín avant fija ..................................................................... 65

Figura 17. Ensamble pata avant fija ...................................................................... 66

Figura 18. Propuesta silla avant fija ...................................................................... 71

Figura 19. Viga empotrada en los extremos. ......................................................... 77

Figura 20. Parametrico eje de giro. ....................................................................... 79

Figura 21. Análisis del esfuerzo máximo en el eje de giro. ................................... 82

Figura 22. Análisis deflexión máxima en el eje de giro. ........................................ 82

Figura 23. Análisis deformación unitaria en el eje de giro. .................................... 83

Figura 24. Propuesta pata avant fija ..................................................................... 84

Figura 25. Propuesta cojín avant fija ..................................................................... 87

Figura 26. Propuesta espaldar avant fija ............................................................... 90

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO A. Procedimiento para el desarrollo de productos de Inorca - I&D.P.101

Rev 3. .................................................................................................................. 103

ANEXO B. Planos de producto silla Avant Fija actual. ....................................... 104

ANEXO C. Planos de producto silla Avant Fija propuesta. ................................. 105

ANEXO D. Costeo silla Avant Fija actual. ........................................................... 106

ANEXO E. Costeo silla Avant Fija propuesta. ..................................................... 107

ANEXO F. Actas de pruebas de carga prototipo silla Avant Fija. ........................ 108

ANEXO G. Análisis de elementos finitos eje de giro. .......................................... 109

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GLOSARIO

MODELO DIGITAL 3D: Es aquel que se puede visualizar en diferentes programas CAD tales como solidwoks, Solidedge, Proingenier, etc. Para así poder sacar información de estos como geometrías y calibres de láminas o tubos. PARAMETRICO: Modelación tridimensional (3D) y bidimensional (2D) con definiciones dimensionales y geométricas actualizables entre sí.

AMEF: Es un trabajo sistemático en equipos cuyo objetivo es reconocer y evaluar fallas potenciales (fallas que no han ocurrido) de un producto o proceso y analiza sus defectos.

SISTEMAS CAD: Son software para el diseño asistido por computadora. MATRICERIA: es una rama de la Mecánica que se ocupa de la fabricación del utillaje, como son los troqueles, moldes, etc., que se emplean en la fabricación en serie de los distintos productos que necesitan obtener.

SINOPTICO DE FABRICACION: es básicamente un gráfico que describe las etapas y principales elementos que comprende la fabricación de un producto u otro proceso.

INDUSTRIALIZACION: es el conjunto de procesos y procedimientos que

garantizan la producción en serie de un producto.

COSTO PRIMO: es la suma del valor de la materia prima más la mano de obra de

un producto.

PROTOTIPO: es la fabricación en escala 1:1 del producto para validar su diseño.

PUNZON: es un elemento de acero el cual hace parte de un troquel que sirve para

perforar láminas.

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TROQUELADO: proceso en el cual se perfora, corta, embute y doblan láminas

para dar forma a una figura.

TROQUEL: herramienta fabricada en acero u otros materiales que se utiliza para

dar formas o cortes.

VISCOSIDAD: propiedad de los fluidos que caracteriza su resistencia a fluir,

debido al rozamiento entre sus moléculas.

FLEXION: encorvamiento transitorio que experimenta un sólido por la acción de

una fuerza que lo deforma elásticamente.

COLUMNA: elemento estructural que sirve de soporte vertical.

VIGA: elemento estructural que sirve de soporte horizontal.

ARMADURA: conjunto metalmecánico compuesto por varios elementos que sirve

como estructura de la silla.

ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS: es una técnica de simulación por

computador usada en ingeniería, usa el método de elementos finitos el cual es un

método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones

diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física.

MANUFACTURA FLEXIBLE: es un sistema integrado por máquinas -

herramientas enlazadas mediante un sistema de manejo de materiales

automatizado operados automáticamente con tecnología convencional o al menos

por un CNC (control numérico por computador).

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AUTOMATIZACION: es el uso de sistemas o elementos computarizados para

controlar maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores

humanos.

CNC: (control numérico por computador). Todo dispositivo capaz de dirigir el

posicionamiento de un órgano mecánico móvil mediante órdenes elaboradas de

forma totalmente automática a partir de informaciones numéricas en tiempo real.

MODULO DE ELASTICIDAD: es un parámetro que caracteriza el comportamiento

de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un

material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para

una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del

esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico.

CONDUCTIVIDAD TERMICA: es una propiedad física de los materiales que mide

la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica

es también la capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de

sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las

que está en contacto.

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RESUMEN

Para la empresa Inorca Ltda., en la actualidad la fabricación de sillas para

auditorios ha venido tomando fuerza hasta llegar a convertirse en uno de los

negocios más fuertes que posee, representan el 60% de la facturación anual de la

empresa, por lo tanto no es de extrañar que constantemente se necesite revaluar

no sólo los diseños de la sillas si no sus procesos de fabricación.

Es por esta razón que planteamos un rediseño de la Silla Avant Fija en algunos de

sus componentes metalmecánicos mejorando de esta manera el costo primo del

producto y su proceso de fabricación, garantizando su estabilidad estructural y

funcionalidad de la silla.

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1. INTRODUCCIÓN

En Ingeniería Mecánica, el diseño es una actividad esencial, que permite al

ingeniero desarrollar sus habilidades y conocimientos para generar o evaluar ideas

que conlleven a presentar alternativas o soluciones a problemas presentados en

un ámbito industrial.

Es por esto que el propósito de este trabajo es rediseñar partes y/o proceso de

fabricación de la silla Avant Fija, reduciendo el costo primo de la silla, la cual es

diseñada para usuarios de salas de cine.

Con los conocimientos obtenidos en el transcurso de la carrera Ingeniería

Mecánica, se plantea una metodología que permite planificar el rediseño de

algunas partes de la silla, utilizando la modelación paramétrica (CAD en 3D),

análisis de elementos finitos y bajo procedimiento establecido por la empresa

realizar pruebas y ensayos a un prototipo para su validación y todo lo relacionado

que busque la mejor productividad para su fabricación (I&D.P.101 Rev. 3).

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En los últimos cuatro (4) años Inorca diseñó una silla denominada Avant Fija, que

es un producto de gama media, debido a que tiene un espaldar fijo que no reclina,

un cojín que abate por gravedad y unos apoyabrazos abatibles; ésta es utilizada

en salas de cine en el sector general.

Los constantes y rápidos cambios económicos y tecnológicos que se dan en el

entorno nacional e internacional, debido a la competitividad en el mercado de

empresas de países como México, USA y Brasil, con butacas de esta misma

gama y a un costo bajo, la empresa se ha visto obligada a mejorar su proceso

productivo, por ello uno de los objetivos estratégicos que se está implementando

es la reducción de costo de materia prima y mano de obra directa empleada en

cada uno de sus productos de línea. Por tanto:

Es posible optimizar la fabricación y/o materiales en la silla Avant Fija?

Existe en la fabricación de la silla Avant Fija, partes que puedan ser rediseñas?

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3. INORCA LTDA

La empresa INORCA (Industrias Nortecaucanas) fue fundada en 1956,

produciendo butacas para salas de cine. Posteriormente, la empresa extendió su

actividad a la industria automotriz, a la cual provee asientos completos y partes

(equipo original) para Renault y Toyota, cumpliendo con estándares de clase

mundial en tecnología, diseño y calidad. Adicionalmente, la empresa ofrece

asientos para vehículos de transporte público, orientados a fabricantes de

autobuses y empresas de transporte terrestre de pasajeros. Inorca ha sido

certificada según ISO-9001:2000, 2003, 2007, ISO TS 16949:2002, BASC 2003,

2007 y otros estrictos estándares internacionales de calidad.

A nivel nacional la empresa es líder en la fabricación de asientos y butacas únicas

con énfasis en aplicaciones para la industria automotriz, cines, auditorios,

instituciones y transporte público.

Debido a la alta competitividad existente en el mercado de Cines, por parte de

países como México, Estados Unidos y Brasil, se hace necesario que Inorca este

evaluando constantemente sus procesos de producción y mejoramiento del

producto.

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20

El Plan Nacional de Desarrollo Científico Tecnológico y de Innovación 2007-2019,

se propone como misión para el Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e

Innovación: “Producir, difundir y usar el conocimiento para contribuir a la

transformación productiva y social del país a fin de garantizar un mayor nivel de

competitividad y desarrollo humano sostenible” (RENTERIA RODRIGUEZ,

Carolina. 2007).

Para cumplir con esta misión, Inorca esta fomentado la innovación y el desarrollo

productivo en la línea de silletería de cines y auditorios, mediante el diseño de

nuevos productos que satisfacen las necesidades del mercado y mejorando

constantemente su productividad.

En concordancia con lo anterior Inorca Ltda., ha realizado grandes inversiones en

tecnología de punta para aumentar su competitividad en el mercado, es por ello

que cuenta con tecnología de manufactura flexible en los procesos de corte y

punzonado de lámina, corte y dobles de tubos y varillas, corte de tela, celdas de

soldadura robotizada y un tren de pintura por aspersión.

En la Figura 1, se muestra la planta industrial de Inorca Ltda.

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Figura 1. Planta manufacturera Inorca Ltda.

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4. SISTEMA DE MANUFACTURA FLEXIBLE (FMS)

Antes de tratar el tema de manufactura flexible, debemos conocer algunos

conceptos de automatización que pueden ser desconocidos para algunos, estos

conceptos son automatización fija programable; para luego abordar el tema de

manufactura flexible.

La automatización fija se caracteriza por la secuencia única de operaciones de

procesamiento y ensamble. Sus operaciones son simples pero su integración en

las diferentes estaciones de trabajos dan lugar a sistemas complejos y costos

aplicados a la producción masiva, pero cuando se cambia de un producto a otro,

es necesario la puesta a punto manual de todo el equipo implicando otras tareas,

como el cambio de herramientas y utillajes.

En la automatización programable la secuencia de operaciones es controlada por

un programa y puede cambiar para diferentes configuraciones del producto, este

tipo de automatización es apropiado para la producción por lotes de tamaño bajo o

medio, la inversiones en equipo es alta y las velocidades son inferiores a las

características de la producción fija y el tiempo de preparación de los equipos para

cada lote es considerable. (Ej. El control numérico).

En cambio la automatización flexible es una extensión de la programable que se

ha desarrollado durante las últimas décadas a la par de los computadores y de la

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tecnología de la automatización, además de la capacidad para trabajar diferentes

secuencias de operaciones en forma automática, permitiendo la fabricación

continua de una gran variedad de productos con tiempos de preparación y cambio

de herramientas virtualmente nulos, al pasar de un producto a otro. Ésta requiere

alta inversión en equipo adaptado a las necesites del cliente y está orientada a la

manufactura de partes afines en lotes de tamaño bajo y medio bajo a una

velocidad media de producción

La automatización flexible ha hecho factible los sistemas de manufactura flexible y

la manufactura integrada por computador.

Sistema de Manufactura Flexible (FMS):

Resulta de un nuevo enfoque de la producción, que con la aplicación de la

tecnología ha creado sistemas altamente automatizados. Es una filosofía de la

producción que se basa en el control efectivo del flujo de materiales a través de

una red de estaciones de trabajo muy versátiles y es compatible con diferentes

grados de automatización; está integrado por máquinas - herramientas enlazadas

mediante un sistema de manejo de materiales automatizado operado

automáticamente con tecnología convencional o al menos por un CNC (control

numérico por computador).

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Un FMS consta de varias máquinas-herramienta controladas numéricamente por

computador, donde cada una de ellas es capaz de realizar muchas operaciones

debido a la versatilidad de las máquinas-herramienta y a la capacidad de

intercambiar herramientas de corte con rapidez (en segundos), estos sistemas son

relativamente flexibles respecto al número de tipos de piezas que pueden producir

de manera simultánea y en lotes de tamaño reducido (a veces unitario). Estos

sistemas pueden ser casi tan flexibles y de mayor complejidad que un taller de

trabajo y al mismo tiempo tener la capacidad de alcanzar la eficacia de una línea

de ensamble bien balanceada. Las herramientas pueden ser entregadas al FMS

tanto en forma manual como automática. (JIMENEZ, Ricardo. 2008)

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5. PROCESO DE MANUFACTURA

5.1 CONFORMADO DE LÁMINA

El conformado de lámina data de cinco milenios antes de nuestra era, cuando se

fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata

y cobre. En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las

piezas de metal laminado tienen la ventaja del poco peso y la forma versátil. Por

su bajo coste y sus buenas características generales de resistencia y facilidad de

conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma lámina que más se usa.

Para aplicaciones en aviones y naves espaciales, los materiales laminados

normales son el aluminio y el titanio. Las tres grandes categorías de los procesos

de láminas metálicas son:

1. Corte. (separar láminas grandes en piezas menores.)

2. Doblado. (para transformar láminas de metal en partes de forma especial.)

3. Embutido. (para transformar láminas de metal en partes de forma especial.)

Las herramientas utilizadas son las llamadas de punzón y matriz, las

operaciones se ejecutan en máquinas herramienta llamadas prensas. Para

facilitar la producción en masa, las láminas de metal se introducen en forma

de tiras o rollos.

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5.2 CIZALLADURA

Antes de fabricar una pieza de lámina metálica, se saca una pieza bruta de

dimensiones adecuadas a partir de una lámina grande (por lo general un rollo)

mediante la cizalladura, el corte o el repujado; esto es, la hoja se corta

sometiéndola a esfuerzos cortantes, en forma característica los que se desarrollan

entre un dado o matriz. Los bordes no quedan lisos, ni son, por lo general,

perpendiculares al plano de la lámina.

El borde superior de corte (punzón) se mueve hacia abajo sobrepasando el borde

estacionario inferior de corte (matriz). Cuando el punzón empieza a empujar el

trabajo, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina, conforme

éste se mueve hacia abajo ocurre la penetración, y corta el metal.

En la figura 2 se puede ver la máquina para realizar el proceso de cizallado de una

lámina metálica:

Figura 2. Máquina cizalla

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1) Inmediatamente antes de que el punzón entre en contacto con el material

2) El punzón comienza a oprimir el trabajo causando deformación plástica

3) El punzón comprime y penetra en el trabajo formando una superficie lisa de

corte

4) Se inicia la fractura entre los 2 bordes de corte opuestos que separan la

lámina. Los símbolos v y F indican velocidad y fuerza aplicada,

respectivamente. Normalmente, el corte comienza con la formación de

grietas en los bordes superior e inferior de la pieza. Estas grietas

eventualmente se encuentran entre sí, al final, y se produce la separación.

Las superficies de fractura burdas se deben a esas grietas; las superficies

bruñidas (endurecidas), lisas y brillantes, en el orificio y en el trozo de

material se deben al contacto y frotamiento del borde cizallado contra las

paredes del punzón y el dado.

Según este proceso deformativo en el corte, los parámetros principales de

procesamiento en el corte son:

1) La forma y los materiales del punzón y el dado

2) La velocidad de la punzada

3) La lubricación.

4) La holgura entre el punzón y el dado.

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Según la velocidad, el ancho de la zona de deformación depende de la velocidad

del punzón. Con el aumento de la velocidad, el calor generado por la deformación

plástica se confina en áreas cada vez más pequeñas; en consecuencia, la zona

cizallada es más angosta y la superficie más lisa, y muestra menos formación de

rebabas.

Se ha visto que la calidad de los bordes mejora al aumentar la velocidad del

punzón; esas velocidades pueden llegar a ser de 10 a 12 m/s. Los bordes

cizallados pueden sobrellevar diversas operaciones de trabajo en frío, a causa de

las grandes deformaciones por corte a las que se someten. El endurecimiento por

trabajo en frío que resulta puede afectar de forma adversa a la conformabilidad de

la lámina durante las operaciones subsiguientes.

Por otro lado, la holgura es uno de los factores principales en la determinación de

la forma y la calidad del borde cortado. Al aumentar la holgura, el borde cortado se

vuelve más burdo y se agranda la zona de deformación, Esto último, a menos que

tales bordes se puedan aceptar tal como se producen, se requerirán operaciones

secundarias para alisarlas. En el caso contrario a un exceso de holgura tenemos

una tolerancia muy pequeña lo que ocasiona una fractura poco menos que óptima

y fuerzas excesivas.

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5.2.1 Fuerza del punzón. La fuerza que se requiere para punzonar es,

básicamente, el producto por la resistencia al corte de la lámina metálica por el

área que está siendo cortada. Sin embargo, la fricción entre el punzón y la pieza

puede aumentar en gran medida dicha fuerza, a medida que aumenta la holgura

disminuye la fuerza del punzón y también se reduce el desgaste de dados y

punzones. Además de la fuerza del punzón, también se requiere una fuerza para

separar al punzón de la lámina durante su golpe de retorno.

5.2.2 Operaciones de cizalladura. Hay tres operaciones principales en el trabajo

de prensa que cortan el metal por el mecanismo de cizalla que se acaba de

describir: el cizallado, el punzonado y el perforado.

El cizallado es la operación de corte de una lámina de metal a lo largo de una

línea recta entre dos bordes de corte. El cizallado se usa típicamente para reducir

grandes láminas a secciones más pequeñas para operaciones posteriores de

prensado. Se ejecuta en una máquina llamada cizalla de potencia o cizalla recta.

La cuchilla superior de la cizalla de potencia está frecuentemente en ángulo, para

reducir la fuerza requerida de corte.

El punzonado (blanking) implica el corte de una lámina de metal a lo largo de una

línea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante, como

se muestra en la figura 3 y 4. La parte que se corta es el producto deseado en la

operación y se designa como la parte o pieza deseada. El perforado (punching) es

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muy similar al punzonado, excepto que la pieza que se corta se desecha y se

llama pedacería. El material remanente es la parte deseada.

Figura 3. Lámina de acero perforada o punzonada

Figura 4. Troquel perforador

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El Perforado: En el perforado o niblado, una máquina llamada nibladora mueve

hacia arriba y hacia abajo un punzón recto y pequeño, sacándolo y metiéndolo en

un dado. En el espacio intermedio se alimenta una lámina y se hacen muchos

orificios traslapados, como si se hiciese una ranura en el papel Con una

perforadora circular. Al usar control manual se pueden cortar láminas a lo largo de

cualquier trayectoria deseada. Una ventaja del niblado, además de su flexibilidad,

es que se pueden producir ranuras y muestras de forma intrincada con punzones

normales. El proceso es económico para series pequeñas de producción porque

no se requieren dados especiales.

Muescado: Es el corte de una porción del metal en un lado de la lámina o tira. El

semi-muescado recorta una porción del metal del interior de la lámina. La

diferencia es que el metal removido por el semi-muescado crea parte del contorno

de la pieza, mientras que el perforado y el ranurado genera agujeros en la forma o

parte.

Estampado: Se usa para crear indentaciones en una lámina, como venas, letras o

costillas de refuerzo. Se involucran algunos estiramientos y adelgazamientos del

metal. Esta operación puede parecer similar al acuñado (grabado). Sin embargo,

las matrices de estampado poseen contornos y cavidades que coinciden, el

punzón contiene los contornos positivos y la matriz los negativos, mientras que las

matrices de grabado pueden tener cavidades diferentes en las dos mitades de la

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matriz, por este motivo las deformaciones son más significativas que en el

estampado.

Desplegado: Es una combinación de corte y doblado, o corte y formado, en un

solo paso para separar parcialmente el metal de la lámina.

Troquelado: El troquelado es un método para trabajar láminas metálicas en frío, en

forma y tamaño predeterminados, por medio de un troquel y una prensa. El troquel

determina el tamaño y forma de la pieza terminada y la prensa suministra la fuerza

necesaria para efectuar el cambio.

Cada troquel (herramienta que se usa para aplicar alguna acción de troquelado en

la pieza), está especialmente construido para la operación que va a efectuar y no

es adecuado para otras operaciones. El troquel tiene dos mitades, entre las cuales

se coloca la lámina metálica. Cuando las dos mitades del troquel se juntan se lleva

a cabo la operación. Normalmente, la mitad superior del troquel es el punzón (la

parte más pequeña) y la mitad inferior es la matriz (la parte más grande). Cuando

las dos mitades del troquel se juntan, el punzón entra en la matriz. Cabe notare

que el troquelado de láminas metálicas incluye el corte o cizallado, el doblado o

formado y las operaciones de embutido superficial o profundo.

Características y aplicaciones del troquelado de metales. Quizá la principal

característica de las piezas metálicas troqueladas es que, con unas cuantas

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excepciones, el espesor de la pared es esencialmente el mismo en toda la pieza.

Las piezas troqueladas terminadas son, algunas veces, bastante complicadas en

forma, con muchas salientes, brazos, agujeros de varias formas, huecos,

cavidades y secciones levantadas. En todos los casos, el espesor de la pared es

esencialmente uniforme. No se realizan repujados gruesos del tipo que se

encuentra en muchos vaciados.

Los troquelados se llevan a cabo en espesores que varían desde 0.025 mm hasta

9 mm de espesor. El tamaño de las piezas troqueladas va desde la más pequeña

usada en los relojes de pulsera, hasta los, grandes tableros empleados en

camiones o aviones.

Al momento del diseño, se debe tener presente el borde característico de una

pieza troquelada, especialmente si incluye superficies de rozamiento o si, por

apariencia u otras razones, se requieren bordes suaves. También se debe estar

consciente de las rebabas que quedan en un lado de las piezas troqueladas y ser

cuidadoso al diseñarlas, con objeto de poder removerlas con facilidad o que no

interfieran con las subsecuentes operaciones o funcionamiento.

Troquelado convencional. Las piezas troqueladas pueden maquinarse después del

recortado o doblado si se requieren dimensiones más precisas de las que pueden

producirse por troquelado, o cuando se requieren formas que no son factibles

solamente por troquelado. Ejemplos de esto es el escariado de los barrenos

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centrales de poleas o engranes troquelados, superficies rectificadas para volverlas

más planas y ranuras o áreas de alivio que requieren un cambio en el espesor de

la pieza.

Las partes producidas con estos procesos tienen varios usos, en especial para

ensamblarse con otros componentes. Las láminas perforadas, con orificios de 1 a

75 mm, se emplean como litros, cribas, en ventilación, como defensas de

maquinaria, en amortiguamiento de ruido y para reducir peso. Se punzonan en

prensas de manivela, con velocidades de hasta 300000 orificios por minuto, con

dados y equipo especiales.

Troquelado fino. El proceso de troquelado fino es una técnica de prensado que

utiliza una prensa especial y herramientas y troqueles de precisión para la

producción de piezas que quedan casi terminadas y listas para usar cuando salen

de la prensa de troquelado fino, a diferencia de las piezas que se troquelan por

métodos convencionales. El troquelado fino produce piezas con superficies

cortadas limpiamente a lo largo de todo el espesor del material. En comparación,

las piezas troqueladas convencionalmente por lo general exhiben un borde

cortado con limpieza sólo sobre un tercio del espesor del material y el resto

presenta fracturas. Con el troquelado convencional, cuando estas superficies

desempeñan alguna función, se puede requerir alguna forma de operación

secundaria de acabado, como, rectificado, escariado, pulido, etc. A menudo se

necesitan varias de estas operaciones para terminar la pieza. Cuando se emplea

el troquelado fino, aparte del mejoramiento de la calidad de las superficies

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cortadas, puede obtenerse una mayor precisión dimensional; además el proceso

permite operaciones que normalmente no se realizan con troquelado

convencional.

Visto de otra manera, Las razones para considerar el troquelado fino incluyen la

necesidad de acabados superficiales mejorados, forma de escuadra en los bordes

cortados, mayor precisión dimensional y una apariencia y forma plana superior,

comparadas con las que se obtienen mediante el troquelado convencional Se

pueden incorporar piezas como pistas para levas, pernos localizadores, remaches

y guías a la pieza hecha por troquelado fino. La producción de engranes,

segmentos de engrane, trinquetes y cremalleras es uno de los principales campos

de aplicación del troquelado fino.

La secuencia de operaciones durante un ciclo de la prensa para troquelado fino:

1) El troquel se carga con material

2) El movimiento hacia arriba del carro levanta la platina inferior y el porta

troquel. Esto levanta el material hasta la cara de la matriz.

3) Conforme cierra el troquel, el anillo V se encaja en el material. El material

se sujeta entre el anillo V (o aguijón) y la placa de la matriz, por fuera del

perímetro de corte. El contrapunzón (el cual está bajo presión) sujeta el

material contra la cara del punzón cortador por la parte interior del

perímetro de corte.

4) Mientras la presión del anillo V y la contrapresión se mantienen constantes,

el punzón continúa su carrera hacia arriba, cortando limpiamente la pieza.

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Ésta queda dentro de la matriz mientras que el recorte interior queda dentro

del punzón. En la posición máxima superior, todas las presiones son

eliminadas.

5) El carro se retrae y se abre el troquel.

6) Casi enseguida de que se abre el herramental, se vuelve a aplicar la

presión del anillo V. Esto desprende del punzón la tira del material que

había quedado insertada en él y empuja el recorte interior fuera del punzón.

La alimentación con material comienza.

7) Se vuelve a aplicar la contrapresión expulsando la pieza que continuaba en

la matriz.

8) La pieza y el recorte se saca del área del troquel por medio de un chorro de

aire o con un brazo removedor.

9) El ciclo se completa y queda listo para volver a empezar.

5.2.3 Matrices o dados de corte Desglosando las secciones del equipo de corte

tenemos que, Los componentes de trabajo son el punzón y la matriz. El punzón y

la matriz se fijan a las porciones superior e inferior del conjunto de la matriz,

llamados respectivamente el porta punzón y el porta matriz. El conjunto incluye

también columnas guía y bujes para asegurar el alineamiento apropiado entre el

punzón y la matriz durante la operación El porta matriz se fija a la base de la

prensa y el porta punzón se fija al cepo. El movimiento del pisón ejecuta la

operación de prensado.

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6. ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS

Los problemas de ingeniería se estudian con modelos matemáticos que

representan situaciones físicas, estos modelos son ecuaciones diferenciales con

condiciones de contorno e iniciales determinadas. Las ecuaciones diferenciales

son derivadas aplicando leyes fundamentales y principios de la naturaleza a

sistemas, estas representan el equilibrio de masas, fuerzas o energía.

Cuando es posible la solución exacta de estas ecuaciones nos muestran el

comportamiento de un sistema en estudio bajo ciertas condiciones, las soluciones

analíticas están compuestas de dos partes (1) una parte homogénea y (2) una

parte particular. En cualquier problema de ingeniería, hay dos clases de

parámetros que influyen en la forma como el sistema se comportara, primero

están los parámetros que dan información sobre el comportamiento natural de un

dado sistema, estos incluyen propiedades tales como el modulo de elasticidad, la

conductividad térmica y la viscosidad.

Luego están los parámetros que producen un disturbio o alteración en el sistema,

como fuerzas externas, momentos, diferencia de temperatura en el medio y

diferencias de presión en flujos de fluidos.

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El comportamiento natural de un sistema aparece es la parte homogénea de la

solución de las ecuaciones diferenciales, en contraste, los parámetros que causan

disturbios aparecen en la solución particular.

Es importante comprender el papel de estos parámetros en el modelado con las

técnicas de elementos finitos, en términos de sus respectivas apariciones de las

matrices de dureza o rigidez (stiffness) o conductancia y las matrices de carga o

fuerza.

Los sistemas característicos siempre presentan la matriz de rigidez, la matriz de

conductancia o la matriz resistencia, mientras los parámetros que producen

disturbios aparecen en la matriz de carga. (Wikipedia, 2008)

6.1. ANÁLISIS NUMÉRICO

Hay muchos problemas prácticos en ingeniería los cuales no podemos obtener la

solución exacta, esto se puede atribuir a la complejidad natural de las ecuaciones

diferenciales o a las dificultades que pueden ocurrir con las condiciones de

contorno o iníciales.

Para tratar este tipo de problemas usamos las aproximaciones numéricas. En

contraste a la solución analítica, que muestra el comportamiento exacto de un

sistema en cualquier punto del mismo, las soluciones numéricas aproximan la

solución exacta solo en puntos discretos, llamados nodos.

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El primer paso en cualquier procedimiento numérico es la discretizaciòn, este

proceso divide el medio de interés en un número de pequeñas subregiones y

nodos.

Hay dos clases de métodos numéricos:

(1) método de las diferencias finitas.

(2) método de los elementos finitos.

Con el método de las diferencias finitas, la ecuación diferencial es escrita para

cada nodo y las derivadas son reemplazadas por ecuaciones diferencias ,con ello

se logra un conjunto de ecuaciones lineales simultaneas, aunque este método es

fácil de entender y utilizar en problemas simples, se presentan dificultades al

aplicarlo a geometrías complejas o condiciones de contorno complejas, esta

situación es real para problemas con materiales con propiedades no isotrópicos

(que no tienen iguales propiedades en todas las direcciones).

En contraste, el método de los elementos finitos usa unas formulaciones integrales

más que ecuaciones diferencias para crear un sistema de ecuaciones algebraicas,

por otra parte una función continua aproximada se asume para representar la

solución para cada elemento, la solución completa se genera conectando o

armando las soluciones individuales, permitiendo la continuidad de los límites

interelementales.

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6.2. PASOS BÁSICOS EN EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS

6.2.1 Fase de preprocesado. Crear y descretizar la solución dominio en

elementos finitos, esto es, subdividir el problema en nodos y elementos.

Asumir una función forma a representar el comportamiento físico de un elemento,

que es, una función continua aproximada que se asume para la solución del

elemento.

6.2.2 Desarrollar las ecuaciones para el elemento. Armar los elementos a

representar en el problema completo, construir la matriz global de rigidez.

6.2.3 Aplicar condiciones de contorno, condiciones iníciales y cargas.

6.2.4 Fase de solución. Resolver un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales

o no lineales simultáneas para obtener resultados nodales, tal como valores de

desplazamientos en diferentes nodos o valores de temperaturas en diferentes

nodos en un problema de transferencia de calor.

Fase de postprocesado.

Obtener más información, en este punto se puede estar interesado en valores de

tensiones o flujos de calor.

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7. ANALISIS Y DISEÑO DE VIGAS PARA FLEXION

Las vigas son comúnmente elementos prismáticos, largos y rectos. Las vigas

juegan un papel importante tanto en la ingeniería estructural como en la mecánica.

En la mayor parte de los casos, las cargas son perpendiculares al eje de la viga.

Tales cargas transversales sólo causan flexión y corte en la viga. Cuando las

cargas no se encuentran en ángulo recto con la viga también producen cargas

axiales en ella.

La carga transversal de una viga puede consistir en cargas concentradas, una

carga distribuida o una combinación de ambas. Cuando la carga por unidad de

longitud tiene un valor constante a lo largo de parte de la viga, se dice que la carga

está uniformemente distribuida en dicha parte de la viga.

Las vigas se clasifican de acuerdo con la manera en la que se encuentran

apoyadas:

Vigas estáticamente determinadas, como se muestra en la Figura 5: son aquellas

cuyas reacciones en los soportes de las vigas involucran un total de sólo 3

incógnitas y por lo tanto, pueden determinarse empleando métodos estáticos.

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Figura 5. Vigas estáticamente determinadas

Fuente: BEER FERDINAND, JOHNSTON RUSSELL. Mecánica de materiales, Tercera edición McGraw-Hill 2004, página 308.

Vigas estáticamente indeterminadas, como se muestra en la Figura 6: son

aquellas cuyas reacciones en los soportes de las vigas involucran más de 3

incógnitas y no pueden determinarse únicamente por métodos estáticos. Las

propiedades de las vigas con respecto a su resistencia a las deformaciones deben

tomarse en cuenta.

Figura 6. Vigas estáticamente indeterminadas

Fuente: BEER FERDINAND, JOHNSTON RUSSELL. Mecánica de materiales, Tercera edición McGraw-Hill 2004, página 308

Para determinar las fuerzas internas en un corte a través de un punto C, primero

se dibuja el diagrama del cuerpo libre de toda la viga para obtener las reacciones

en los apoyos. Haciendo un corte a través de C, se dibuja el diagrama de cuerpo

libre de dicho corte del que se obtiene la fuerza cortante V y el par flector M.

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)1(I

cMm =σ )2(

I

Myx −=σ

I

)3(S

Mm =σ

El par flector M crea esfuerzos normales, mientras que la fuerza cortante V

produce esfuerzos cortantes en dicha sección.

En la mayoría de los casos el criterio dominante en el diseño por resistencia de

una viga es el valor máximo del esfuerzo normal en la viga. Debido a que la

distribución de los esfuerzos normales en una sección dada depende sólo del

valor del momento flector M y de la geometría de la sección, las formulas de

flexión para determinar el esfuerzo máximo, así como el esfuerzo en cualquier

punto dado, en la sección, se escribe:

Donde es el momento de inercia de la sección transversal con respecto a un

eje centroidal perpendicular al plano del par, es la distancia desde la superficie

neutra, C es el valor máximo de dicha distancia y S es el modulo de sección

elástico.

y

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Figura 7. Acción de fuerzas y momentos en vigas

Fuente: BEER FERDINAND, JOHNSTON RUSSELL. Mecánica de materiales, Tercera edición McGraw-Hill 2004, página 309

El hecho de que σm sea inversamente proporcional a S subraya la importancia de

seleccionar vigas con un modulo de sección grande. De las ecuaciones anteriores

se muestra que, para una viga con sección transversal uniforme, σm es

proporcional a M: por lo tanto, el valor máximo del esfuerzo normal en la viga

ocurre en la sección donde M es más grande. De lo anterior, se deduce que una

de las partes más importantes del diseño de una viga para una condición dada de

carga es la localización y magnitud del momento flector máximo.

El esfuerzo normal máximo σm en la viga se encuentra en la superficie de ella en

la sección crítica donde ocurre Mmax.

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45

perm

MS

σmax

min =

Un diseño seguro requiere que σm ≤ σperm donde σperm es el esfuerzo permisible

para el material utilizado. Sustituyendo el σperm por σm en las ecuaciones y

despajando S resulta en el mínimo valor permisible del modulo de sección para la

viga que se diseña:

Deflexión de vigas:

Figura 8. Deflexión de vigas

Fuente: BEER FERDINAND, JOHNSTON RUSSELL. Mecánica de materiales, Tercera edición McGraw-Hill 2004, página 533.

El cálculo de la deflexión máxima de una viga bajo una carga, como se muestra la

Figura 8, dada es de interés particular, ya que las especificaciones de diseño

incluyen generalmente un valor máximo admisible para la deflexión. También

resulta de interés conocer las deflexiones para analizar las vigas indeterminadas.

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EI

M=

ρ1

Una viga prismática sometida a flexión pura se flexiona en forma de arco y que,

dentro el rango elástico, la curvatura de la superficie neutra puede ser expresada

como:

Siendo M el momento flector, E el modulo de elasticidad e I el momento de inercia

de la sección transversal con respecto al eje neutro.

Cuando una viga se somete a carga transversal, la anterior ecuación permanece

válida para cualquier sección transversal, siempre que el principio de Saint-Venant

(excepto en la cercanía inmediata de los puntos de aplicación de las cargas, la

distribución de esfuerzos puede suponerse independiente del modo de aplicación

de la carga) sea aplicable. Sin embargo el momento flector y la curvatura de la

superficie neutra variaran en las diversas secciones. (BEER Ferdinand.

JOHNSTON Russel. 2004)

El conocimiento de la curvatura en varios puntos de la viga permitirá deducir

algunas conclusiones generales con respecto a la deformación de la viga bajo

carga. Para determinar la pendiente y la deflexión de la viga en cualquier punto se

deduce primero la ecuación diferencial lineal de segundo orden que caracteriza a

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47

EI

xM

dx

yd )(2

2

=

La curva elástica o forma de la viga deformada. En la Tabla 1 se observa las

deflexiones y pendientes para diferente tipos de vigas y su carga. (BEER

Ferdinand. JOHNSTON Russel. 2004)

Tabla 1. Deflexión y pendientes en vigas

Fuente: BEER FERDINAND, JOHNSTON RUSSELL. Mecánica de materiales, Tercera edición McGraw-Hill 2004, pagina 762.

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48

8. COLUMNAS

El análisis y diseño de elementos sometidos a compresión difieren de manera

significativa del de los elementos sometidos a tensión o a torsión, el término

columna sea aplica a todos los elementos excepto aquellos en los que la falla

sería por compresión pura (aplastamiento) o simple. (SHIGLEY Joseph,

MISCHIKE Charles. 2005)

Entonces las columnas se clasifican en:

1. Con carga céntrica

2. Con carga excéntrica

Para analizar y diseñar una columna se debe tener en cuenta sus condiciones de

apoyo, como se demuestra en la Figura 9, la cual se clasifica en:

a. Ambos extremos están redondeados o articulados.

b. Ambos extremos están empotrados.

c. Un extremo libre, un extremo empotrado.

d. Un extremo redondo y articulado, y un extremo empotrado.

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49

)1(k

LR ee = )2(

2

1

=A

Ik

Figura 9. Condiciones de apoyo en columnas

Fuente: SHIGLEY JOSEPH, MISCHKE CHARLES. Diseño en Ingeniería Mecánica, Sexta edición McGraw-Hill 2005, página 208.

Para determinar si una columna tiene una buena o mala estabilidad se debe

calcular la relación de esbeltez (Re), la cual está dada por:

Donde;

Re es la relación de esbeltez.

Le es la longitud efectiva.

K es el radio de giro.

I es el momento de inercia.

A es el área de la sección trasversal de la columna.

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50

PA=σ

)3(11

2

2

CEk

SS

A

P y

ycr

−=

π

De acuerdo a Re las columnas con carga céntrica se clásica en:

1. Columnas cortas.

Cuando Re ≤ 30, por lo tanto se halla el esfuerzo normal para un elemento

sometido a carga axial de compresión.

2. Columnas intermedias.

Cuando 30 ≤ Re ≤ 120, para este caso se utiliza la formula de Jhonson o

parabólica, la cual expresa:

Donde,

Pcr: carga critica.

A: área de sección transversal de la columna.

C: constante de condiciones en extremos

Sy: esfuerzo de fluencia del material

K: radio de giro

E: modulo de elasticidad.

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51

)4(2

2

l

EICPcr

π= )5(

2

2

=

k

l

EC

A

Pcr π

3. Columnas largas.

Cuando Re ≥ 120, para este caso se utiliza la formula de Euler la cual expresa:

Pcr: carga crítica.

A: área de sección transversal de la columna.

C: constante de condiciones en extremos

I: momento de inercia

K: radio de giro

E: modulo de elasticidad.

L: longitud efectiva

Columnas con carga excéntricas:

Las desviaciones de una columna ideal, como las excentricidades de la carga o la

encorvadura, quizás ocurran durante la manufactura y el ensamble. Aunque las

desviaciones a menudo son muy pequeñas, aún es conveniente contar con un

método para tratarlas. Además con frecuencia ocurren problemas en los cuales las

excentricidades son inevitables.

Una columna en la cual la línea de acción de las fuerzas de la columna está

separada del eje centroidal de la columna por una excentricidad (e), su solución

debe darse por la formula de la secante:

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52

)6(

2sec1

2

+

=

AE

P

k

l

k

ec

S

A

P yc

2k

ec

El término se llama relación de excentricidad.

Donde,

P: carga.

A: área de sección transversal de la columna.

C: constante de condiciones en extremos.

Sy: esfuerzo de fluencia del material.

K: radio de giro.

E: modulo de elasticidad.

L: longitud efectiva.

e: excentricidad.

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53

9. OBJETIVO GENERAL

Rediseñar algunos componentes de la silla Avant Fija y mejorar su proceso de

fabricación, con el fin de reducir el costo primo de la silla, aumentando la

productividad de la empresa Inorca Ltda.

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54

10. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Analizar el proceso actual de fabricación de la silla Avant Fija.

2. Rediseñar partes de la silla Avant Fija que permitan la reducción del costo

primo.

3. Justificar la viabilidad técnica y la factibilidad económica del rediseño y su

implementación en la empresa Inorca Ltda.

4. Mejorar el consumo de materiales en la fabricación de la silla Avant Fija.

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55

11. JUSTIFICACION

La participación en el mercado nacional e internacional de una empresa está

directamente ligada a su competitividad, es decir, aumentar la productividad y la

eficiencia en sus procesos y disminuir el costo de fabricación de sus productos, es

por ello que se hace indispensable revisar y mejorar continuamente dichos

procesos y la calidad en sus productos.

Al mejorar el consumo de materias primas y rediseñar partes de la silla se

obtendrán beneficios, como:

• Aumento de capacidad de planta, lo cual significa un incremento en la

producción de sillas con la misma infraestructura.

• Disminución del costo de fabricación de la silla sin afectar su calidad.

• Aumento de la rentabilidad económica de la empresa.

• Reducción del tiempo de fabricación de la silla al mejorar los procesos.

Este trabajo constituye un proyecto de ingeniería, donde se aplicaron los

conocimientos adquiridos en las áreas de diseño y procesos de manufactura,

utilizaron herramientas computacionales modernas para el modelamiento y

simulación y finalmente se hizo la validación real mediante un prototipo.

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56

12. SILLA AVANT FIJA

Inorca Ltda., actualmente tiene tres líneas de producción, las cuales son:

- Línea automotriz, en la cual fabrican sillas de automóviles para las marcas

Renault, Toyota y Mazda.

- Línea cines y auditorios, en la cual fabrican sillas para auditorios de

universidades, colegios, institutos, teatros y cinemas.

- Línea de transporte público, en la cual fabrican sillas para autos de transporte

público urbano e intermunicipal, como Expreso Palmira y Marco Polo.

La silla Avant Fija como se muestra en la Figura 10, pertenece a la línea de cines

y auditorios, la cual es un asiento para instalar en salas de cine, actualmente esta

silla está instalada en países como, Irlanda, Corea del Sur, Estados Unidos,

México, Venezuela, Ecuador, Perú, Brasil y Colombia, adquirida por cadena de

cines como, Schullman Theater, Cines Unidos, Cinepolis, Multicinex,

Cinecolombia, Procinal, Cinemark, Royal Films y Corporación las Dos Torres.

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57

Figura 10. Silla Avant Fija (antes)

La silla Avant fija, tiene la característica de ser un asiento de media gama en la

cual el espaldar es fijo, no tiene reclinación, pata con brazo abatible y cojín que

abate por gravedad.

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58

12.1. COMPONENTES DE LA SILLA

La silla Avant Fija está compuesta como se muestra en la Figura 11, por tres

partes que son:

- 1 espaldar.

- 1 cojín.

- 2 patas.

Figura 11. Componentes silla Avant Fija

ESPALDAR

COJIN

PATA PATA

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59

2

3

1

1

2

3

4

5

6

Estos 3 componentes igualmente están ensamblados por subcomponentes como

se muestra en la Figura 12, 13 y 14, que son:

• ESPALDAR:

1. Moldeado espaldar.

2. Tapa plástica espaldar.

3. Armadura espaldar.

Figura 12. Componentes espaldar Avant Fija

• COJIN:

1. Moldeado cojín.

2. Cubierta plástica cojín.

3. Armadura superior cojín.

4. Armadura inferior cojín.

5. Platina fija izquierda.

6. Platina fija derecha.

Figura 13. Componentes cojín Avant Fija

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60

• PATA:

1. Armadura pata.

2. Accesorio central.

3. Brazo.

Figura 14. Componente pata Avant Fija

12.2. PROCESO DE FABRICACION DE LA SILLA

Inorca Ltda., tiene una planta industrial ubicada en el municipio de Miranda,

departamento del Cauca, esta planta cuenta con 8 secciones para la fabricación

de la silla, las cuales son:

- Sección de corte tela.

- Sección de costura.

- Sección de tubos.

- Sección de troquelado.

- Sección de soldadura.

1 2

3

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61

- Sección de pintura.

- Sección de espumas.

- Sección de ensamble.

De acuerdo a estas secciones se describe el proceso de fabricación de la silla

para los 3 componentes (espaldar, cojín y patas):

12.2.1 Sección de corte tela. En esta sección se corta la tela, vinilo o cuero, que

son las materias primas que se pueden utilizar para la confección del forro

espaldar, cojín y accesorio central, su proceso inicia con el corte de la tela en una

máquina CNC “Vectra L500”, en la cual un programador digita la plantilla del forro

y procede a realizar el programa del corte para 300 sillas.

12.2.2 Sección de costura. En esta sección después de cortar la tela se procede

a la confección del forro espaldar, cojín y accesorio central por parte de las

operarias utilizando máquina plana para costura. Una vez finalizado este proceso

se inspecciona por parte de calidad para verificar que el forro esté conforme de

acuerdo a las especificaciones de ingeniería y luego se envía al proceso de

ensamble de la silla.

12.2.3 Sección de tubos. En esta sección se realiza el proceso de enderezar,

doblar y cortar las varillas especificadas utilizando la máquina OMCG-CNC, en

paralelo esta sección corta los tubos de acuerdo a las longitudes requeridas,

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62

después utilizando la máquina SOCCO se curvan y se da forma del espaldar y el

aro cojín.

12.2.4 Sección de troquelado. Esta sección se encarga de realizar las

operaciones de perforado, embutido, dobles y corte de la lámina de acuerdo a los

planos especificados por ingeniería para las partes del espaldar, cojín y pata.

12.2.5 Sección de soldadura. Esta sección se encarga de unir las partes

fabricadas por los procesos de tubos y troquelado, utilizando diferentes guías de

soldar y celdas robotizadas las cuales aplican soldadura MIG en las uniones

especificadas por planos de ingeniería. Una vez fabricadas las armaduras del

espaldar, cojín y patas, se validan por el proceso de calidad para después ser

entregadas al proceso de pintura.

12.2.6 Sección de pintura. Esta sección se encarga de ubicar las armaduras del

espaldar, cojín y pata en un túnel de pintura, en éste se realiza la primera etapa, la

cual es lavar y fosfatizar las armaduras, su función es desengrasar la armadura y

limpiarla de impurezas. En la segunda etapa la armadura pasa por un túnel de

secado. En la tercera etapa se aplica pintura electrostática poliéster negro mate a

las armaduras y en la última etapa del túnel la armadura pasa por el horno y

después se envía al proceso de ensamble.

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63

12.2.7 Sección de espumas. Esta sección se encarga de inyectar el moldeado

espaldar, cojín y accesorio central, los cuales son poliuretanos que se fabrican en

una máquina de inyección, la cual mezcla dos materias primas, poliol e isocianato.

La dureza especificada en el espaldar es de 19 shore +/- 1 shore, para alcanzar

esta dureza la relación de poliol e isocianato es de 100/60, la dureza especificada

en el cojín es de 14 shore +/- 1 shore, para alcanzar esta dureza la relación de

poliol e isocianato es de 100/50, esta mezcla es vaciada en un molde que contiene

internamente la geometría del moldeado, su proceso de reacción química dura 5

minutos para después dejarlo 30 minutos de curado y poder luego ser utilizado

para el proceso de ensamble de la silla.

12.2.8 Sección de ensamble.

Proceso de ensamble espaldar. La sección de ensamble se encarga de armar

el conjunto espaldar como se muestra en la Figura 15, de acuerdo a la siguiente

secuencia:

Paso 1: Aplicar pegante a la armadura y el moldeado.

Paso 2: Unir los dos componentes.

Paso 3: Tapizar el espaldar.

Paso 4: Ensamblar la tapa plástica.

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64

Figura 15. Ensamble espaldar avant fija

Proceso de ensamble cojín. La sección de ensamble se encarga de armar el

conjunto cojín como se muestra en la Figura 16, de acuerdo a la siguiente

secuencia:

Paso 1: Aplicar pegante a la armadura superior y el moldeado cojín.

Paso 2: Unir los dos componentes.

Paso 3: Tapizar el cojín.

Paso 4: Ensamblar la armadura inferior.

Paso 5: Ensamblar la cubierta plástica.

Paso 6: Ensamblar la platina fija izquierda y derecha.

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65

Figura 16. Ensamble cojín avant fija

Proceso de ensamble pata. La sección de ensamble se encarga de armar el

conjunto pata como se muestra en la Figura 17, de acuerdo a la siguiente

secuencia:

Paso 1: Aplicar pegante al soporte moldeado y al moldeado accesorio central.

Paso 2: Unir los dos componentes.

Paso 3: Tapizar el accesorio central.

Paso 4: Ensamblar el accesorio central a la pata

Paso 5: Ensamblar el brazo plástico.

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66

Figura 17. Ensamble pata avant fija

12.3 COSTO PRIMO DE LA SILLA

En la Tabla 2 se observa el tiempo de fabricación de cada componente, costo de

materia prima y el costo total de la silla que es $ 212.757.

Tabla 2. Costo primo silla avant fija

ITEM COMPONENTE UNIDAD CANTIDAD TIEMPO

FABRICACION (h/H) COSTO MOD $

COSTO

MP $

COSTO

TOTAL $

1 ESPALDAR UND 1 0,826 $ 4.956 $ 53.066 $ 58.022

2 COJIN UND 1 0,979 $ 5.874 $ 54.633 $ 60.507

3 PATA UND 2 1,622 $ 9.732 $ 84.496 $ 94.228

TOTAL 3,427 $ 20.562 $ 192.195 $ 212.757

Fuente: INORCA LTDA.

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67

$ 9

.73

2

$ 8

4.4

96

$ 9

4.2

28

$ 5

.87

4

$ 5

4.6

33

$ 6

0.5

07

$ 4

.95

6

$ 5

3.0

66

$ 5

8.0

22

$ 0

$ 10.000

$ 20.000

$ 30.000

$ 40.000

$ 50.000

$ 60.000

$ 70.000

$ 80.000

$ 90.000

$ 100.000

COSTO MOD $ COSTO MP $ COSTO TOTAL $

PATA

COJIN

ESPALDAR

44%

28% 27%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

PATA COJIN ESPALDAR

PORCENTAJE

Con los diagramas de paretto de las Tablas 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9 se visualiza el orden

de los componentes de mayor a menor de acuerdo al costo (en pesos

colombianos) de fabricación de la silla.

Tabla 3. Análisis Costo MOD, MP y TOTAL silla avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

Tabla 4. Análisis porcentaje incidencia costo silla avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

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68

$ 2

.46

6 $ 1

78

$ 9

46

$ 4

46

$ 8

30

$ 1

9.4

24

$ 1

7.1

54

$ 3

.50

2

$ 1

.54

4

$ 6

24

$ 2

1.8

90

$ 1

7.3

32

$ 4

.44

8

$ 1

.99

0

$ 1

.45

4

$ 0

$ 5.000

$ 10.000

$ 15.000

$ 20.000

$ 25.000

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

$ 4

.36

1 $ 7

43

$ 1

16

$ 6

54

$ 3

0.5

67

$ 8

.95

4

$ 9

.53

1

$ 5

.58

1

$ 3

4.9

28

$ 9

.69

7

$ 9

.64

7

$ 6

.23

5

$ 0

$ 5.000

$ 10.000

$ 15.000

$ 20.000

$ 25.000

$ 30.000

$ 35.000

$ 40.000

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

Tabla 5. Análisis costo componentes pata avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

Tabla 6. Análisis costo componentes cojín avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

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$ 0

$ 2.000

$ 4.000

$ 6.000

$ 8.000

$ 10.000

$ 12.000

$ 14.000

$ 16.000

$ 18.000

$ 20.000

Tabla 7. Análisis costo componentes espaldar avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

Tabla 8. Análisis costo componentes silla avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

69

$ 2

.97

5

$ 1

69

$ 6

24

$ 7

43

$ 4

46

$ 1

5.1

67 $

12

.00

9

$ 1

0.7

02

$ 1

0.3

41

$ 4

.84

6

$ 1

8.1

42

$ 1

2.1

78

$ 1

1.3

26

$ 1

1.0

84

$ 5

.29

2

7. Análisis costo componentes espaldar avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

Tabla 8. Análisis costo componentes silla avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

7. Análisis costo componentes espaldar avant fija

Tabla 8. Análisis costo componentes silla avant fija

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70

21

%

13

% 11

%

10

%

7% 7%

7% 6% 4

%

6%

3% 3% 1

% 1%

0%

5%

10%

15%

20%

25%A

RM

AD

UR

A C

OJI

N

AR

MA

DU

RA

PA

TA

AR

MA

DU

RA

ES

PA

LDA

R

BR

AZ

O P

LAS

TIC

O

TA

PA

PLA

ST

ICA

MO

LDE

AD

O E

SP

ALD

AR

FO

RR

O E

SP

ALD

AR

FO

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O C

OJI

N

MO

LDE

AD

O C

OJI

N

CU

BIE

RT

A P

LAS

TIC

A

OT

RO

S E

SP

ALD

AR

OT

RO

S P

AT

A

FO

RR

O A

CC

ES

OR

IO

MO

LDE

AD

O A

CC

ES

OR

IO

PORCENTAJE

PORCENTAJE

Tabla 9. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija

Fuente: INORCA LTDA.

De acuerdo a la Tabla 9, la armadura metalmecánica del cojín, pata y espaldar

son el 45% del costo total de la silla Avant Fija, por lo tanto nuestra propuesta se

encamina al rediseño de estos componentes.

Las partes plásticas, los forros y los moldeados de poliuretano no son susceptibles

a modificaciones debido a requerimiento hecho por Inorca, el cual es no modificar

el diseño de estos componentes debido a que no se debe afectar la apariencia ni

la ergonomía de la silla.

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71

13. PROPUESTA PARAMETRICA DE LA SILLA

Utilizando el software Solidworks 2009, se realizó la modelación paramétrica de la

propuesta, que conllevó al mejoramiento del producto de antes en las armaduras

metalmecánicas de los 3 componentes espaldar, cojín y pata, como se muestra en

la Figura 18.

Figura 18. Propuesta silla avant fija

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72

13.1. ARMADURA ESPALDAR

Se propone cambiar el punto de fijación de la armadura, antes se fijaba al cojín y

ahora se fija o asegura a la parte superior de la pata, con el objetivo de disminuir

el momento resultante al aplicar la fuerza en la parte superior del espaldar de

acuerdo al cuaderno de carga especificado por el proceso de ingeniería, en el cual

se aplica una carga horizontal en sentido de adelante hacia atrás de 80 kg. Antes

el momento resultante era de 574,67 Nm y ahora es de 505,68 Nm. Por lo que se

cambia los dos boomerangs por dos platinas porta espaldar y se cambia la

geometría del marco espaldar, como se muestra en Tabla 10.

Tabla 10. Cuadro comparativo entre armaduras de espaldar

Antes vs propuesta

ARMADURAS METALMECANICAS

ANTES AHORA

ESPALDAR

Marco espaldar Marco espaldar

Boomerang

Platina porta

espaldar

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73

13.2. ARMADURA PATA

Se propone implementar la pata de la silla Nova Plus, la cual es un tubo

rectangular de 1”x2”, platina de anclaje y soporte cojín embutido; se cambia el

soporte brazo (actualmente son 3 piezas de espesor cada una de 6mm), por una

sola pieza conformada de espesor de 3mm, tal como se muestra en la Tabla 11

Tabla 11. Cuadro comparativo entre armaduras de la pata

Antes vs propuesta

ARMADURAS METALMECANICAS

ANTES AHORA

PATA

1

2

3

4

5

6

7

8

1 5

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74

ANTES:

1. Soporte brazo, compuesto por 4 piezas soldadas las cuales son en lámina

de acero H.R. de espesor de 6mm.

2. Tubo pata, conformado en lámina de acero C.R. cal. 14

3. Soporte cojín, conformado en lámina de acero C.R. de espesor de 3mm.

4. Platina de anclaje, embutida en lámina de acero C.R. espesor de 3mm.

AHORA:

5. Soporte brazo, conformado en lámina de acero C.R. de espesor de 3mm.

6. Tubo pata, en tubo de acero rectangular de 1” x 2” C.R. cal. 14.

7. Soporte cojín, embutido en lámina de acero C.R. de espesor de 3mm.

8. Platina de anclaje, embutida en lámina de acero C.R. espesor de 3mm.

13.3. ARMADURA COJIN

Se propone cambiar el sistema de pivote del cojín antes con dos semi-ejes de

diámetro de 5/8” ahora con un solo eje de diámetro de 1/2" pasante, se cambia la

armadura superior e inferior por una sola armadura, tal como se muestra en la

Tabla 12.

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75

Tabla 12. Cuadro comparativo entre armaduras del cojín

Antes vs propuesta

ARMADURAS METALMECANICAS

ANTES AHORA

COJIN

ANTES:

1. Armadura superior cojín, en tubo de acero C.R. diámetro de 5/8” cal. 18.

2. Armadura inferior cojín, en lamina de acero C.R. de espesor de 3mm.

3. Platina fija derecha, conformada en lámina de acero C.R. de espesor de

3mm y eje de giro, en acero calibrado de diámetro 5/8” calidad 1020.

4. Platina fija izquierda, conformada en lámina de acero C.R. de espesor de

3mm y eje de giro, en acero calibrado de diámetro 5/8” calidad 1020.

AHORA:

5. Armadura cojín, en tubo de acero C.R. diámetro de 7/8” cal. 16.

6. Eje de giro, en acero calibrado de diámetro 1/2” calidad 1020.

1

2

3

4

5

6

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76

14. CALCULO TEÓRICO DEFLEXIÓN EJE DE GIRO COJIN

Existen vigas que contienen un número tal de reacciones, que las ecuaciones de

equilibrio no son suficientes para determinar todas las fuerzas internas y las

reacciones del sistema. Estas vigas se denominan como vigas estáticamente

indeterminadas, vigas continuas o vigas hiperestáticas, para su solución es

necesario involucrar ecuaciones adicionales que resultan del planteamiento de las

ecuaciones de compatibilidad de deformaciones. Entre los métodos utilizados para

resolver éste tipo de vigas se tienen: el método área de momentos, la ecuación de

los tres momentos y el método de Cross.

Las vigas continuas comúnmente se encuentran en sistemas de tuberías, puentes

grúas, chasis con más de dos puntos de apoyo, cigüeñales y en general aquellos

elementos mecánicos que posean más de dos apoyos o dos apoyos

completamente empotrados.

Una viga empotrada en sus dos extremos, como la representada en la figura 19,

tiene cuatro elementos de reacción, pero como solo se dispone de dos ecuaciones

de la estática ∑F = 0 y ∑M = 0, la viga tiene dos reacciones sobrantes. (SINGER,

Ferdinand. 1978)

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77

A continuación se efectuará el cálculo teórico del eje de giro del cojín con el

propósito de demostrar que se encuentran dentro los rangos permisibles de

deflexión para una carga máxima de 300 Kg.

Cabe notar que las especificaciones técnicas establecidas por Inorca Ltda., no

permiten que la deflexión máxima permanente sea mayor a 5/8” (15 mm).

Figura 19. Viga empotrada en los extremos.

DATOS

Masa= 300 Kg

Gravedad= 9,81 m/s2

Peso= 2943 N

Longitud eje= 0,52 m

Diámetro eje= 0,0127 m

E= 2E+11 N/m2

FÓRMULA

(1)

(2)

192

3PLEIYmáx =

EI

PLYmáx

192

3

=

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78

(3)

Donde:

YMáx Deflexión máxima del eje

P Carga o peso

L Longitud del eje

E Módulo de elasticidad

I Momento de Inercia

D Diámetro del eje

DEFLEXIÓN MÁXIMA

(4)

YMáx= 0,00211 m

YMáx= 2,11 mm

MOMENTOS

(5)

MA= 191,295 Nm

La deflexión máxima teórica del eje de giro es de 2.11 mm.

4

3

4

3

4

3

4

3

3

248

48

4192

DE

PL

DE

PL

rE

PL

rE

PLYmáx π

πππ

=

===

44211

33

)0127.0)((/)102(3

)52.0()2943(

mmNx

mNYmáx π

=

8

PLMM BA ==

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79

15. ANALISIS ESTATICO EJE DE GIRO COJIN

Utilizando el modulo de Solidworks Simulation, se analizó estáticamente la

deflexión y esfuerzo máximo del eje de giro, que de acuerdo al método de ensayo

de Inorca, el cojín debe soportar una carga máxima de 300 kg.

Para lo anterior se modeló paramétricamente el eje de giro y se especifico sus

componentes y su material, como se ilustra en la figura 20.

Figura 20. Paramétrico eje de giro.

1. Platina soporte eje de giro, en lamina de acero H.R. de espesor 4.5 mm.

2. Eje de giro, en acero calibrado diámetro 1/2” calidad 1020.

3. Tope de abatimiento, en lamina de acero H.R. de espesor 4.5 mm.

1 2

3

3

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80

Se define las propiedades de los materiales, tal como se muestra en la Tabla 13.

Tabla 13. Definición de las propiedades

Nombre de propiedad Valor Unidades Tipo de valor Módulo elástico 2e+011 N/m2 Constante Coeficiente de

Polisón 0.29 NA Constante

Módulo cortante 7.7e+010 N/m2 Constante Densidad 7900 kg/m3 Constante

Límite de tracción 4.2051e+008 N/m2 Constante Límite elástico 3.5157e+008 N/m2 Constante Coeficiente de

dilatación térmica 1.5e-005 /Kelvin Constante

Conductividad térmica

47 W/(mr.) Constante

Calor específico 420 J/(kg.K) Constante

15.1. RESULTADOS DEL ANALISIS

15.1.1 Fuerzas de reacción. En la Tabla 14 se obtienen las fuerzas de reacción

aplicadas en el eje de giro.

Tabla 14. Fuerzas de reacción eje de giro.

Conjunto de selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el sólido

N -1.17822e-005 2952.59 0.00065783 2952.59

15.1.2 Momento de reacción. En la Tabla 15 se obtienen los momentos

resultantes en el eje de giro.

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81

Tabla 15. Momentos resultantes en el eje de giro.

Conjunto de selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el sólido

N-m -1.65892e-009 -2.23288e-005 0 2.23288e-005

15.1.3 Esfuerzo, deflexión y deformación. En la Tabla 16 se obtienen los

resultados de esfuerzo, deflexión y deformación unitaria aplicados en el eje de giro

propuesto, en la cual se concluye que la deflexión máxima es de 2.64mm.

Tabla 16. Resultados de esfuerzo, deflexión y deformación unitaria.

Nombre Tipo Mín. Ubicación Máx. Ubicación Tensiones1 VON: Tensión

de von Mises 0 N/m2 Nodo: 13997

(-25 mm, 62.3 mm, -222.619 mm)

7.19162e+008 N/m2 Nodo: 5431

(0.000149568 mm, 61.3077 mm, 220.782 mm)

Desplazamientos1 URES: Desplazamiento resultante

0 mm Nodo: 13997

(-25 mm, 62.3 mm, -222.619 mm)

2.63754 mm Nodo: 5834

(6.24716 mm, 3.85769 mm, -0.00117662 mm)

Deformaciones unitarias1

ESTRN: Deformación unitaria equivalente

0 Elemento: 7846

(-6.92372 mm, 57.4706 mm, -222.619 mm)

0.00198442 Elemento: 5680

(-0.604518 mm, 49.5004 mm, -219.485 mm)

En las Figuras 21, 22 y 23 se observa el análisis del esfuerzo, deflexión y

deformación máxima aplicada en el eje de giro propuesto.

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82

Figura 21. Análisis del esfuerzo máximo en el eje de giro.

Figura 22. Análisis deflexión máxima en el eje de giro.

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83

Figura 23. Análisis deformación unitaria en el eje de giro.

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84

16. PRUEBAS DE LABORATORIO Y RESULTADOS

Las pruebas realizadas al prototipo propuesto fabricado fueron realizadas en el

laboratorio de Inorca Ltda., de acuerdo a los métodos de ensayos estandarizados,

bajo los cuadernos de carga. (MÉTODO ENSAYO INORCA)

16.1. PRUEBA DE RESISTENCIA ESTATICA A PATA CON SOPORTE BRAZO

APLICABLE PARA SILLA AVANT FIJA

Este prototipo se fabrico con los siguientes materiales, tal como se ilustra en la

figura 24.

Figura 24. Propuesta pata avant fija

1

2

3

4

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85

1. Soporte brazo, conformado en lámina de acero C.R. de espesor de 3mm.

2. Tubo pata, en tubo de acero rectangular de 1” x 2” C.R. cal. 14.

3. Soporte cojín, embutido en lámina de acero C.R. de espesor de 3mm.

4. Platina de anclaje, embutida en lámina de acero C.R. espesor de 3mm.

El presente ensayo permitió verificar el comportamiento del soporte brazo

propuesto desarrollado en lámina de 3 mm y la implementación de la armadura de

la pata que aplica en la silla Nova Plus.

Se procedió a fabricar el prototipo de la pata y soporte brazo, luego se acondiciono

en una máquina de resistencia estática y se empezó aplicar una carga

gradualmente de 25 kg hasta llegar a una carga total de 125 kg, con el fin de

obtener la deflexión elástica y permanente las cuales se comparan con los valores

estandarizados por Inorca Ltda., como se muestra en la Tabla 18, que no deben

exceder la medida de 17.46mm y 1.59mm respectivamente, en la Tabla 17 se

detallan los resultados obtenidos en la prueba de laboratorio.

Tabla 17. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para la pata

PESO (kg) DEFLEXION

ELASTICA (mm)

DEFLEXION

PERMANENTE (mm)

25 1,00 0,00

50 1,00 0,00

75 2,00 1,00

100 2,00 1,00

125 2,00 1,00

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86

Tabla 18. Valores máximos permisibles de la prueba.

PESO (kg) DEFLEXION

ELASTICA (mm)

DEFLEXION

PERMANENTE

(mm)

25 3,18 0,00

50 9,53 0,00

75 12,70 0,00

100 15,88 0,79

125 17,46 1,59

Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que la deflexión elástica

y permanente son 2,00 mm y 1.00mm respectivamente, las cuales están dentro

del rango permisible que permiten que la propuesta pueda ser aprobada e

implementada (ver anexo F. PRUEBA CARGA ESTÄTICA BRAZO AVANT FIJA).

16.2. PRUEBAS DE RESISTENCIA AL HERRAJE COJIN SILLA AVANT FIJA

16.2.1 Prueba de resistencia estática al herraje cojín silla avant fija. Este

prototipo se fabrico con los siguientes materiales, tal como se ilustra en la Figura

25:

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87

Figura 25. Propuesta cojín avant fija

1. Aro cojín, en tubo de acero C.R. diámetro de 7/8” cal. 16.

2. Tubo sujeción cubierta, en tubo de acero C.R. diámetro de 5/8” cal. 18.

3. Varilla soporte espuma, en acero calibrado de diámetro 1/4” calidad 1020.

4. Soporte aro, en lámina de acero H.R. de espesor 4.5 mm.

5. Platina soporte eje de giro, en lámina de acero H.R. de espesor 4.5 mm.

6. Varilla sujeción cubierta, en acero calibrado de diámetro 1/4” calidad 1020.

7. Eje de giro, en acero calibrado de diámetro 1/2” calidad 1020.

8. Platina tope abatimiento, en lámina de acero H.R. de espesor 4.5 mm.

9. Resorte, en nosag XL cal. 9

1 2

3

4 5

6

7

8

9

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88

El presente ensayo permitió verificar el comportamiento del herraje cojín propuesto

desarrollado en varilla, lámina y tubo anteriormente descrito en la figura 25.

Se procedió a fabricar el prototipo del herraje cojín, luego se acondicionó en una

máquina de resistencia estática y se empezó aplicar una carga gradualmente de

50 kg hasta llegar a una carga total de 300 kg, con el fin de obtener la deflexión

permanente la cual se compara con el valor estandarizado por Inorca Ltda., que

no debe exceder la medida de 15mm. En la Tabla 19 se observan los resultados

obtenidos de la prueba de laboratorio.

Tabla 19. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el cojín

PESO (kg) DEFLEXION

ELASTICA (mm)

DEFLEXION

PERMANENTE

(mm)

50 22,00 0,00

100 24,00 0,30

150 29,00 0,90

200 31,00 1,30

300 38,00 2,00

Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que la deflexión

permanente es de 2,00 mm, la cual está dentro del rango permisible que permite

que la propuesta pueda ser aprobada e implementada (ver anexo F. PRUEBA

CARGA ESTATICA ESPALDAR AVANT FIJA).

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89

16.2.2 Prueba de resistencia dinámica al herraje cojín silla avant fija. El

presente ensayo nos permitió verificar el comportamiento del herraje cojín

propuesto bajo la aplicación de una carga dinámica de 80 kg durante 350.000

ciclos, con el fin de garantizar que bajo este parámetro la estructura del herraje no

sufra ningún desgaste o rotura en ninguna de las piezas del mecanismo de

abatimiento. (Ver anexo F. PRUEBA CARGA DINAMICA COJIN AVANT FIJA).

16.3. PRUEBAS DE RESISTENCIA ESTATICA A LA ARMADURA ESPALDAR

SILLA AVANT FIJA

16.3.1 Prueba de resistencia estática posterior. Este prototipo se fabrico con

los siguientes materiales, tal como se ilustra en la Figura 26:

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90

Figura 26. Propuesta espaldar avant fija

1. Marco espaldar, en tubo de acero C.R. diámetro de 1” cal. 16.

2. Varilla superior tapa plástica, en acero calibrado de diámetro 1/4” calidad

1020.

3. Varilla inferior tapa plástica, en acero calibrado de diámetro 1/4” calidad

1020.

4. Refuerzo lateral moldeado, en tubo de acero C.R. diámetro de 1/2” cal. 18.

5. Platina porta espaldar, en lámina de acero C.R. de espesor de 3 mm.

6. Travesaño inferior, en tubo de acero C.R. diámetro de 1” cal. 16.

1

2

3

4

5

6

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El presente ensayo permitió verificar la deflexión máxima posterior permisible de la

armadura del espaldar de la silla propuesto, según figura 26.

Se procedió a fabricar el prototipo del espaldar, luego se acondicionó en una

máquina de resistencia estática y se empezó aplicar una carga gradual de 20kg

hasta llegar a una carga total de 80 kg, con el fin de obtener la deflexión

permanente la cual se compara con el valor estandarizado por Inorca Ltda., que

no debe exceder la medida de 25mm. En la Tabla 20 se observan los resultados

obtenidos de la prueba de laboratorio.

Tabla 20. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el espaldar

PESO (kg) DEFLEXION

ELASTICA (mm)

DEFLEXION

PERMANENTE

(mm)

40 886 5,00

60 859 12,00

80 826 20,00

Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que la deflexión

permanente es de 20,00 mm, la cual está dentro del rango permisible que permite

que la propuesta pueda ser aprobada e implementada (ver anexo F. PRUEBA

CARGA ESTATICA ESPALDAR AVANT FIJA).

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92

16.3.2 Prueba de resistencia estática frontal. El presente ensayo permitió

verificar la deflexión máxima frontal permisible de la armadura del espaldar de la

silla propuesto, según figura 26.

Se procedió a fabricar el prototipo del espaldar, luego se acondicionó en una

máquina de resistencia estática y se empezó aplicar una carga gradual de 20kg

hasta llegar a una carga total de 80 kg, con el fin de obtener la deflexión

permanente la cual se compara con el valor estandarizado por Inorca Ltda., que

no debe exceder la medida de 25mm. En la Tabla 21 se observan los resultados

obtenidos de la prueba de laboratorio.

Tabla 21. Resultados obtenidos en la prueba de laboratorio para el espaldar

PESO (kg) DEFLEXION

ELASTICA (mm)

DEFLEXION

PERMANENTE

(mm)

40 1862 6,00

60 1830 14,00

80 1780 23,00

Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que la deflexión

permanente es de 23,00 mm, la cual está dentro del rango permisible que permite

que la propuesta pueda ser aprobada e implementada (ver anexo F. PRUEBA

CARGA ESTATICA ESPALDAR AVANT FIJA).

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93

$ 8

.40

0

$ 6

1.4

66

$ 6

9.8

66

$ 4

.98

0

$ 5

0.1

10

$ 5

5.0

90

$ 4

.50

0

$ 4

5.3

50

$ 4

9.8

50

$ 0

$ 10.000

$ 20.000

$ 30.000

$ 40.000

$ 50.000

$ 60.000

$ 70.000

$ 80.000

COSTO MOD $ COSTO MP $ COSTO TOTAL $

PATA

ESPALDAR

COJIN

17. COSTO PRIMO PROPUESTA AVANT FIJA

En la Tabla 22 se observa el tiempo de fabricación de cada componente, costo de

materia prima y el costo total de la silla propuesta que es $ 174.806

Tabla 22. Costo primo silla avant fija propuesta

ITEM COMPONENTE UNIDAD CANTIDAD TIEMPO

FABRICACION (h/H) COSTO MOD $

COSTO

MP $

COSTO

TOTAL $

1 ESPALDAR UND 1 0,83 $ 4.980 $ 50.110 $ 55.090

2 COJIN UND 1 0,75 $ 4.500 $ 43.350 $ 49.850

3 PATA UND 2 1,40 $ 8.400 $ 61.466 $ 69.866

TOTAL 2,98 $ 17.880 $ 156.926 $ 174.806

Con los diagramas de paretto de las Tablas 23, 24, 25, 26, 27, 28 y 29 siguientes

se visualiza el orden de los componentes de mayor a menor de acuerdo al costo

de fabricación de la silla.

Tabla 23. Análisis Costo MOD, MP y TOTAL silla avant fija propuesta

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94

40%

32%29%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

PATA ESPALDAR COJIN

PORCENTAJE

$ 1

.24

2

$ 2

67

$ 1

.57

7

$ 4

90

$ 6

24

$ 1

2.4

66

$ 1

3.4

29

$ 2

.73

3

$ 1

.54

4

$ 5

61

$ 1

3.7

08

$ 1

3.6

96

$ 4

.31

0 $ 2

.03

4

$ 1

.18

5

$ 0

$ 2.000

$ 4.000

$ 6.000

$ 8.000

$ 10.000

$ 12.000

$ 14.000

$ 16.000

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

Tabla 24. Análisis porcentaje incidencia costo silla avant fija propuesta

Tabla 25. Análisis costo componentes pata avant fija propuesta

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95

$ 2

.94

0

$ 9

00 $ 0

$ 6

60

$ 2

2.5

54

$ 6

.93

9

$ 1

0.4

66

$ 5

.39

1

$ 2

5.4

94

$ 7

.83

9

$ 1

0.4

66 $

6.0

51

$ 0

$ 5.000

$ 10.000

$ 15.000

$ 20.000

$ 25.000

$ 30.000

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

$ 3

.03

4 $ 1

33

$ 6

24

$ 7

43

$ 4

46

$ 1

4.3

32

$ 1

2.0

09

$ 1

0.7

02

$ 1

0.3

41

$ 2

.71

6

$ 1

7.3

66 $ 1

2.1

42

$ 1

1.3

26

$ 1

1.0

84

$ 3

.16

2

$ 0$ 2.000$ 4.000$ 6.000$ 8.000

$ 10.000$ 12.000$ 14.000$ 16.000$ 18.000$ 20.000

COSTO MOD $

COSTO MP $

COSTO TOTAL $

Tabla 26. Análisis costo componentes cojín avant fija propuesta

Tabla 27. Análisis costo componentes espaldar avant fija propuesta

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18

%

12

%

0%2%4%6%8%

10%12%14%16%18%20%

AR

MA

DU

RA

CO

JIN

AR

MA

DU

RA

ES

PA

LDA

R

Tabla 28. Análisis costo componentes silla avant fija propuesta

Tabla 29. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija

96

12

% 10

%

10

% 9% 8%

8% 7% 6

% 4% 3

% 2% 1% 1%

AR

MA

DU

RA

ES

PA

LDA

R

AR

MA

DU

RA

PA

TA

BR

AZ

O P

LAS

TIC

O

TA

PA

PLA

ST

ICA

MO

LDE

AD

O E

SP

ALD

AR

FO

RR

O E

SP

ALD

AR

CU

BIE

RT

A P

LAS

TIC

A …

FO

RR

O C

OJI

N

MO

LDE

AD

O C

OJI

N

OT

RO

S P

AT

A

OT

RO

S E

SP

ALD

AR

FO

RR

O A

CC

ES

OR

IO …

MO

LD

EA

DO

PORCENTAJE

Tabla 28. Análisis costo componentes silla avant fija propuesta

Tabla 29. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija

propuesta

PORCENTAJE

Tabla 28. Análisis costo componentes silla avant fija propuesta

Tabla 29. Análisis porcentaje incidencia costo componentes silla avant fija

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De acuerdo a la tabla 29, la armadura metalmecánica del cojín, pata y espaldar

son el 40% del costo total de la silla Avant Fija propuesta.

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18. CONCLUSIONES

Se analizó el proceso de fabricación de la silla Avant Fija, el cual permitió

identificar los componentes de la misma y saber el material con que estaban

fabricados, además se conoció el proceso y tiempo de fabricación de las partes y

ensambles dentro de la planta manufacturera y así poder determinar que parte

metalmecánica de la silla es lo que más impacta en el costo final de ésta.

Se rediseño la parte metalmecánica del espaldar, cojín y pata de la silla,

permitiendo una reducción del costo primo de 1.38% en el espaldar, 5.01% en el

cojín y 11.45% en las patas. Lo anterior basado en el procedimiento de diseño de

productos de Inorca Ltda., y de acuerdo al costeo de la silla de antes (ver anexo

D) con respecto al costeo de la silla propuesta (ver anexo E).

El costo actual de la silla es de $ 212.757 y el costo de la propuesta es de

$174.806, por lo tanto se obtiene una reducción en el costo primo del 17.84%,

además el proceso comercial de la empresa tiene proyectado fabricar 3000 sillas

mensuales durante los próximos doce meses, por lo que al fabricar la silla con el

costo de reducción se estaría ahorrando $37.951 por silla, con las 3000 sillas

mensuales se ahorran $113.853.000 mensuales y durante los doce meses de

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ahorrarían $1.366.236.000, lo cual hace que este proyecto sea factible

económicamente y viable.

Este proyecto es viable técnicamente debido a que los elementos rediseñados se

pueden fabricar con la tecnología y equipos con los que actualmente cuenta

Inorca, adicional a esto, la silla propuesta se valido de acuerdo a los ensayos de

carga estipulados por el proceso de Ingeniería en el laboratorio de pruebas de la

empresa, dando como resultado conforme y aprobado el prototipo que se valido.

El soporte del brazo de la pata actual lo componen 3 piezas en lámina de acero

hot rolled de espesor 6mm y cuyo peso es de 1,02 kg. El soporte que diseñamos

es de una sola pieza en lámina de acero cold rolled de espesor 3mm y cuyo peso

es de 0,715 kg, logrando una mejora en el consumo de material de 0,305 kg. En la

fabricación del cojín actualmente la parte metalmecánica está compuesta por un

herraje superior e inferior y dos semi-ejes que tienen un tiempo de fabricación de

0,979 H/h, en nuestra propuesta se tiene un solo herraje y un eje de giro con un

tiempo de fabricación de 0,750 H/h, por lo tanto se mejoro el tiempo de la

fabricación del cojín de 0,229 H/h.

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INGENIERIA INORCA LTDA. Plan Estratégico 2008 - 2009.

INGENIERIA INORCA LTDA. Procedimiento para el desarrollo de productos de

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J.R. Paquin. Diseño de matrices. Barcelona: Montaner y simun, 1966. 263 p.

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Editorial Limusa, S.A. de C.V. grupo Noriega editores, 1998. 400 p.

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Plan Nacional de Desarrollo Científico Tecnológico y de Innovación 2007-2019.

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ANEXOS

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ANEXO A. Procedimiento para el desarrollo de productos de Inorca - I&D.P.101

Rev 3.

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ANEXO B. Planos de producto silla Avant Fija actual.

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ANEXO C. Planos de producto silla Avant Fija propuesta.

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ANEXO D. Costeo silla Avant Fija actual.

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ANEXO E. Costeo silla Avant Fija propuesta.

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ANEXO F. Actas de pruebas de carga prototipo silla Avant Fija.

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ANEXO G. Análisis de elementos finitos eje de giro.