“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático ”
Universidad Nacional “San Luis Gonzaga” de Ica
FACULTAD DE INGENERIA MECANICA Y ELECTRICA TEMA: -SOLDADURA -TORNILLO DE PONTENCIA - SUJECION POR PERNOS CURSO
:
Diseño y elementos de máquinas
DOCENTE
:
Ing. Percy Gonzales
ALUMNOS
:
Palomino Quispe Julio Jair
:
VIIIME-2
CICLO
ICA-PERÚ 2014
INTRODUCCIÓN
La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos piezas de un material, (generalmente metales otermoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo, se puede agregar un material de aporte(metal o plástico), que al fundirse forma un charco de material fundido entre las piezas a soldar (el baño de soldadura) y, al enfriarse, se convierte en una unión fija a la que se le denomina cordón. A veces se utiliza conjuntamente presión y calor, o solo presión por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en inglés soldering ) y la soldadura fuerte (en inglés brazing ), que implican el derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo. Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la soldadura, incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos de fricción o ultrasonido. La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos generalmente proviene del contacto directo con una herramienta o un gas caliente. Mientras que con frecuencia es un proceso industrial, la soldadura puede ser hecha en muchos ambientes diferentes, incluyendo al aire libre, debajo del agua y en el espacio. Sin importar la localización, sin embargo, la soldadura sigue siendo peligrosa, y se deben tomar precauciones para evitar quemaduras, descarga eléctrica, humos venenosos, y la sobreexposición a la luz ultravioleta.
Soldadura: Análisis por elementos finitos Elementos Finitos El análisis por elementos finitos (FEA, siglas en inglés de Finite Element Analysis) es una técnica de simulación por computador usada en ingeniería. Usa una técnica numérica llamada método de los elementos finitos (FEM). Existen muchos paquetes de software, tanto libres como no libres. El desarrollo de elementos finitos en estructuras, suele basarse en análisis energéticos como el principio de los trabajos virtuales.
Aplicación de la FEA en la Industria de la ingeniería mecánica Una variedad de especializaciones bajo el ámbito de la ingeniería mecánica tal como lo es la aeronáutica, biomecánica, y las industrias automotrices, todas comúnmente usan el análisis de elementos finitos integrado en el diseño y desarrollo de sus productos. Varios paquetes modernos de FEA incluyen componentes específicos como el térmico (termal), electromagnético, fluido y ambientes de trabajo estructural. En una simulación estructural el análisis de elementos finitos ayuda a producir visualizaciones de rigidez y fuerza y además ayuda a minimizar peso, materiales y costos. El análisis de elementos finitos permite una detallada visualización de en donde las estructuras se doblan o tuercen, e indica la distribución del esfuerzo y los desplazamientos. Los programas computacionales de análisis de elementos finitos proveen un amplio rango de opciones de simulación para controlar la complejidad de ambos, el modelado y el análisis de un sistema. De forma similar, el nivel deseado de precisión y los requerimientos de tiempo computacional asociados pueden ser manejados simultáneamente para atender a la mayoría de las aplicaciones de ingeniería. El análisis de elementos finitos, permite la construcción de diseños enteros, su refinación y la optimización de éstos antes de que el diseño sea manufacturado. Esta poderosa herramienta de diseño ha mejorado en gran forma, ambos, el estándar de diseños en ingeniería y la metrología del proceso del diseño en muchas
aplicaciones industriales. La introducción del análisis de elementos finitos ha reducido el tiempo que se toma para llevar productos desde el concepto hasta la línea de producción. A través de la mejora de diseños de prototipos iniciales usando el análisis de elementos finitos se han acelerado, principalmente, las pruebas y el desarrollo.
Elementos finitos aplicadas a la soldadura: Ejemplo Parámetros del Proceso de Soldadura En el presente estudio se utilizaron los siguientes parámetros: • Tipo de Junta : A tope • Material base: DILLIDUR 400V [10]
• Proceso: GMAW • Longitud de Chapas : 200 mm cada una • Espesor: 6 mm • Voltaje: 30 V • Amperaje: 250 A • Velocidad: 2.5 mm/seg • Rendimiento de Proceso: 80% • Tiempo: 80 segundos
Modelo Geométrico Como se puede observar en la figura 4, el modelo geométrico utilizado es bastante simple, representa la unión a tope de dos planchas, generado en el software SOLIDWORKS, muy usado para modelar objetos en general.
Algoritmo para la Solución del Problema De acuerdo con las consideraciones acerca de la influencia significativa del campo térmico sobre el campo mecánico, es posible realizar la simulación del proceso de soldadura prescindiendo de los resultados del efecto del campo mecánico sobre el campo térmico. De este modo, se plantea el siguiente algoritmo: simular el efecto del campo térmico a lo largo del proceso completamente (estudio 1), obtenido en función de la fuente de temperatura prescrita en la zona de unión. Con ello se obtiene el ciclo térmico en cada punto del material; es decir, un mapa de temperaturas en función del tiempo. Luego, a partir de los resultados del estudio térmico (estudio 1), se simula el efecto del campo mecánico (estudio 2), para obtener finalmente los esfuerzos y las deformaciones residuales, como resultado de la simulación. Este algoritmo se muestra en la figura 5, tal como se realiza en el COSMOSWORKS, el software empleado en el presente trabajo.
Enmallado El tipo de elemento finito utilizado para el presente estudio es tetraédrico parabólico; en la figura 6 se puede observar dos tamaños de malla diferentes en el modelo. Se utiliza una malla más fina en la zona de mayor importancia (zona fundida), en la cual se prescribe el ciclo térmico mediante fuentes puntuales de temperatura a lo largo del cordón.
Definición de las Propiedades del Material Propiedades Térmicas En el presente estudio se considera que un conjunto de propiedades es variable con respecto a la temperatura y que estas propiedades sólo dependen de la temperatura [8], [9]. Entre las propiedades térmicas, se consideran conocidas las variaciones con respecto a la temperatura para la conductividad térmica y el calor específico, respectivamente (figura 7 y figura 8). Asimismo, se consideran conocidas las variaciones con respecto a la temperatura de las propiedades mecánicas: módulo de elasticidad y límite de fluencia, respectivamente (figura 9 y figura 10). Por otro lado las propiedades que se consideraron independientes de la temperatura (constantes) son: • Densidad: 7860 kg/m3 • Módulo de Poisson: 0.29 • Coeficiente de dilatación: 11.0 E-06 ºC-1 • Viscosidad: 1.7 E -05 N-s/m2
Condiciones de Borde Mecánicas En el modelo tridimensional se restringen las direcciones transversales a la longitud del cordón de soldadura (x=0 e y=0) en los extremos laterales del material base, tal como se muestra en la figura 12:
Resultados Resultados en el campo térmico Los resultados obtenidos en el campo térmico (simulación del ciclo térmico, campo de temperatura variable en función de la posición y el tiempo) son bastante aproximados a lo que se obtiene en un proceso real de soldadura. Como se puede observar en las figuras 13 y 14, la simulación numérica nos permite obtener la historia térmica en cualquier punto del modelo geométrico y en cualquier instante de tiempo.
TORNILLO DE POTENCIA
Un tornillo de potencia se usa para cambiar el movimiento angular en movimiento lineal y también para transmitir esfuerzos. Los tornillos de potencia son una de las formas de materializar un par cinemático helicoidal o de tornillo, constando de dos piezas, un tornillo o husillo y una tuerca, entre las cuales existe un movimiento relativo de traslación y rotación simultáneas respecto al mismo eje. Los movimientos de rotación y traslación están relacionados por el paso de rosca del tornillo. Gracias a ello los tornillos de potencia sonmecanismos de transmisión capaces de transformar un movimiento de rotación en otro rectilíneo y transmitir potencia. En las imágenes siguientes se muestra un tornillo de potencia con tuerca de poliuretano y un detalle de una tuerca con la parte externa de acero y la interna de bronce, para un menor rozamiento. Estos dispositivos se suelen emplear en las siguientes aplicaciones:
Levantamiento de pesos, debido a la elevada ventaja mecánica que con ellos se consigue. Realización de fuerzas de gran magnitud, en prensas. Obtención de un buen posicionamiento en un movimiento axial
En general los tornillos de potencia son mecanismos irreversibles, de modo que el giro del tornillo hace avanzar la tuerca, pero el desplazamiento de la tuerza es incapaz de hacer girar el tornillo, debido al desfavorable ángulo de transmisión del sistema en este sentido. Estos tornillos son diferentes a lo que se emplea en uniones atornilladas, ya que en este caso el objetivo fundamental no es la unión de piezas sino la transformación de movimiento y la transmisión de cargas. La forma de la rosca de los elementos engranados es distinta. Los principales tipos de roscas que se emplean en este sistema de transmisión son: o Rosca cuadrada: en cuanto a fricción por deslizamiento presenta una buena eficiencia, pero baja ventaja mecánica y difícil de maquinar. Elevado coste.
o Rosca ACME : utilizada en las máquinas-herramienta. o Rosca trapezoidal : es más sencilla de maquinar y a menor coste que las roscas cuadradas. Diseñada para resistir cargas en una dirección. o Rosca cuadrada modificada: mayor facilidad de maquinado y misma eficiencia a la rosca cuadrada. o Rosca ACME truncada : cuando se requiere paso grande con rosca poco profunda debido a algún tipo de tratamiento térmico.
Consideraciones de esfuerzo para el diseño de tornillos de potencia A la hora de diseñar un tornillo de potencia se debe tener en cuenta los siguientes esfuerzos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Presión por aplastamiento Esfuerzo por pandeo Esfuerzo de corte o flexión de la rosca Esfuerzo de tracción/compresión del cuerpo Esfuerzo combinado en el cuerpo Velocidad crítica de descenso.
Sirven para transformar movimiento giratorio rectilínea. Ventajas: Sencillez de su estructura, alta relación de transmisión, auto frenado, auto bloqueo, posibilidad de fabricación con gran exactitud del paso. Inconvenientes: Rozamiento relativamente alto con el consiguiente desgaste y bajo coeficiente de rendimiento. Usos: Gatos, prensas de tornillo, transmisión de carga elevadas tornos y en general maquinas herramientas, instrumentos de medida. El tornillo debe construirse de un acero resistente al desgaste con buenas características de maquinado y tratado térmicamente. Las tuercas se fabrican de bronce al estaño, así como de fundición de antifricción. Para ahorrar bronce las tuercas también pueden fabricarse bimetálicas esto es fundición o acero revestido de bronce (por el procedimiento centrifugo)
SUJECION POR PERNOS Los tornillos de máquinas se encuentran disponibles en gran variedad de tamaños, clases de roscar y gran diversidad de cabezas. Pueden emplearse en agujeros angostados o con tuercas.
Tornillos de cabeza o comunes: Un tornillo de cabeza es un sujetador roscado que une dos o más partes pasando a través de un agujero holgado en una parte, y que luego se atornilla en el agujero roscado de la otra. Se aprietan o aflojan aplicando un momento de torsión en la cabeza. Clasificación: los tornillos de cabeza varían en tamaño a partir de 6mm de diámetro y se encuentran en cinco tipos básicos de cabezas.
Pernos: Un perno es un sujetador roscado que pasa a través de agujeros holgados en las partes ensambladas, y que se atornilla en una tuerca. Los pernos y tuercas se encuentran en varias formas y tamaños. Los de cabezas cuadradas y hexagonales son los mas comunes y varían en tamaño.
SISTEMA DE SUJECION Es la forma como se sujetan las piezas de una máquina. Hay dos tipos fundamentales de sujeción Sujeción permanentes: Son los remaches y soldaduras
Sujeciones removibles: Son los pernos, tornillos, espárragos y cuñar. Conforme la industria progresa, los dispositivos de sujeción llegan a estandarizarse y tienen nombres y características definidas.
