ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL - Repositorio...
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MATRIZ PARA FABRICAR MATERIAL DIDÁCTICO EN GOMA E.V.A. (Etil Vinil Acetato) PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO WLADIMIR ALEXANDER MARCILLO PROAÑO [email protected] FRANCISCO ALEXIS MORENO GARRIDO [email protected] DIRECTOR: ING. JAIME VARGAS [email protected] Quito, septiembre 2008
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MATRIZ PARA FABRICAR
MATERIAL DIDÁCTICO EN GOMA E.V.A. (Etil Vinil Aceta to)
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENI ERO MECÁNICO
WLADIMIR ALEXANDER MARCILLO PROAÑO
FRANCISCO ALEXIS MORENO GARRIDO [email protected]
DIRECTOR: ING. JAIME VARGAS [email protected]
Quito, septiembre 2008
ii
DECLARACIÓN
Nosotros, Wladimir Marcillo, Francisco Moreno, declaramos bajo juramento que el
trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada
para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según
lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
_________________________ _________________________
Wladimir Marcillo Francisco Moreno
iii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Wladimir Marcillo y Francisco
Moreno, bajo mi supervisión.
____________________
Ing. Jaime Vargas
Director del proyecto
____________________
Ing. Jorge Escobar
Colaborador del proyecto
____________________
Ing. Washington Altuna
Colaborador del proyecto
iv
AGRADECIMIENTOS
Esta tesis, si bien ha requerido de esfuerzo y mucha dedicación por parte de los
autores y su director de tesis, su finalización no hubiese sido posible sin la
cooperación desinteresada de quienes a continuación citamos, muchos de los
cuales han sido un soporte muy fuerte especialmente en momentos de angustia y
desesperación.
Primero y antes que nada, damos gracias a Dios, por estar con nosotros en cada
paso, por fortalecer nuestro corazón e iluminar nuestra mente y por haber puesto en
nuestro camino a aquellas personas que han sido nuestro soporte y compañía
durante todo el período de estudio.
Agradecemos hoy y siempre a nuestras esposas e hijos, por la fuerza incomparable
que nos han dado para alcanzar metas exigentes.
A nuestros padres y hermanos por el ánimo, apoyo y alegría que siempre nos
brindan desinteresadamente, con el único afán de vernos como profesionales.
De igual manera nuestros más sinceros agradecimiento al Director del Proyecto, Ing.
Jaime Vargas T., profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica a quien debemos el
realizar este proyecto para la obtención del título de Ingenieros en una Institución tan
prestigiosa como lo es la Escuela Politécnica Nacional.
A nuestros compañeros y amigos de la Facultad, por el apoyo y por compartir con
nosotros momentos muy especiales que jamás olvidaremos.
v
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a los seres
más importantes en mi vida,
mi esposa y mis hijos,
sin ellos no tendría sentido mi existencia.
Gracias a su apoyo e inspiración
he logrado cumplir este sueño.
Pancho.
Este proyecto de titulación está enteramente
dedicada a mi familia. Gracias por atreverse
a confiar en mí; es obvio que sin ustedes
éste sueño nunca hubiese podido ser
completado. Sencillamente ustedes son
la base de mi vida profesional y mi vida
diaria, siempre les estaré agradecido.
Wlady.
vi
CONTENIDO ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 MATERIAL DIDÁCTICO ..............................................................................................1
1.1.1 CONCEPTO Y NATURALEZA DEL MATERIAL DIDÁCTICO ..........................1
1.1.2 CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL DIDÁCTICO ....................................................2
1.1.3 CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL DIDÁCTICO.............................................3
1.1.4 FUNCIONES BÁSICAS DEL MATERIAL DIDÁCTICO ........................................4
1.1.5 FINALIDADES DEL MATERIAL DIDÁCTICO ........................................................4
1.2 ETIL VINIL ACETATO (E.V.A) ...................................................................................6
1.2.1 DEFINICIÓN ...................................................................................................................6
1.2.2 COMPOSICIÓN ..............................................................................................................7
1.2.3 INCIDENCIA DEL CONTENIDO DE ACETATO DE VINILO EN EL E.V.A ......7
1.2.4 PROPIEDADES ..............................................................................................................8
1.2.5 APLICACIONES .............................................................................................................9
CAPÍTULO II
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE MATRICES
2.1 NOCIONES DEL ESTAMPADO EN FRÍO ............................................................. 10
2.1.1 MATERIAS PRIMAS PARA EL ESTAMPADO EN FRÍO .................................. 11
2.1.2 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Y
MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. ................................................................... 11
2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTAMPAS O MATRICES ....................................... 12
2.2.1 SEGÚN EL TIPO DE OPERACIONES .................................................................... 12
2.2.2 SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS .................................................... 13
2.2.3 SEGÚN LA UNIVERSALIDAD DEL USO ............................................................... 14
2.2.4 SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN ................................ 14
2.3 PARTES Y PIEZAS DE LAS ESTAMPAS ............................................................. 14
2.3.1 PLACAS DE LA ESTAMPA ....................................................................................... 15
2.3.2 COLA............................................................................................................................... 16
vii
2.3.3 COLUMNAS Y CASQUILLOS GUÍAS ................................................................... 16
2.3.4 PUNZONES ................................................................................................................ 16
2.3.5 MATRIZ O SUFRIDERA .......................................................................................... 17
2.3.6 FIJACIÓN DE PUNZONES Y MATRICES .......................................................... 18
2.3.7 PIEZAS DE SUJECIÓN Y EXPULSIÓN DE LAS ESTAMPAS ...................... 18
2.4 MATRICES DE CORTE ........................................................................................... 19
2.4.1 OPERACIONES DE CORTE O SEPARACIÓN CON ESTAMPA .................. 19
2.4.1.1 PUNZONADO ........................................................................................................... 20
2.4.2 HOLGURA ENTRE PUNZÓN Y MATRIZ ........................................................... 21
2.4.3 ESFUERZO DE CORTE .......................................................................................... 22
CAPÍTULO III
PARÁMETROS FUNCIONALES
3.1 PARÁMETROS IMPORTANTES DEL DISEÑO ................................................ 24
3.1.1 GEOMETRÍA DEL CORTE ..................................................................................... 24
3.1.2 TIEMPO PARA OBTENCIÓN DE UN ROMPECABEZAS ............................... 25
3.1.3 ACABADO DE LA SUPERFICIE CORTADA ..................................................... 25
3.1.4 COSTO DE LA MÁQUINA ...................................................................................... 25
3.1.5 COSTO DE PRODUCCIÓN ................................................................................... 25
3.1 ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS ................................................ 26
3.2.1 GEOMETRÍA DEL CORTE PARA ESTE DISEÑO ........................................... 27
3.2.2 TIEMPO PARA OBTENCIÓN DE UN ROMPECABEZAS .............................. 27
3.2.3 ACABADO DE LA SUPERFICIE CORTADA ..................................................... 29
3.2.4 COSTO DE LA MÁQUINA ....................................................................................... 30
3.2.5 COSTO DE PRODUCCIÓN .................................................................................... 31
3.2.6 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS ........................................................................ 33
3.3 ESTUDIO DE MERCADO ........................................................................................ 34
3.3.1 DEMANDA ................................................................................................................... 34
3.3.2 ANÁLISIS DE LA ENCUESTA ............................................................................... 35
viii
CAPÍTULO IV
DISEÑO DE LA MATRIZ DE CORTE
4.1 DISEÑO DE PIEZAS TECNOLÓGICAS ................................................................ 37
4.1.1 DISEÑO DE PUNZONES .......................................................................................... 37
4.1.2 DISEÑO DE LA PLACA PORTA PUNZÓN ........................................................... 38
4.1.3 EXPULSORES ............................................................................................................. 38
4.1.4 DISEÑO DE LA PLACA SUFRIDERA .................................................................... 39
4.2 DISEÑO DE PIEZAS DE CONSTRUCCIÓN ........................................................ 40
4.2.1 CÁLCULO DEL CENTRO DE PRESIONES ......................................................... 40
4.2.2 DISEÑO DE LAS PLACAS SUPERIOR E INFERIOR ...................................... 44
4.2.1.1 DISEÑO DE LA PLACA SUPERIOR ....................................................................... 45
4.2.1.2 DISEÑO DE LA PLACA INFERIOR ........................................................................ 51
4.2.2 DISEÑO DE LAS COLUMNAS ................................................................................ 53
4.2.3 DISEÑO DE LOS BOCINES ..................................................................................... 54
4.2.4 PIEZAS DE SUJECIÓN ............................................................................................. 55
CAPÍTULO V
ELABORACIÓN DE PLANOS
6.1 CONSTRUCCIÓN ........................................................................................................ 57
6.1.2 REQUERIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN ............................................. 58
6.2 PRUEBAS ...................................................................................................................... 66
CAPÍTULO VI
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PRUEBAS
CAPÍTULO VII
COSTOS
7.1 EXPLICACIÓN DE LAS TABLAS DE COSTOS ................................................... 68
7.1.1 COSTOS MANO DE OBRA ...................................................................................... 69
7.1.2 COSTOS MATERIA PRIMA E INSUMOS ............................................................. 70
7.1.3 COSTOS DE MAQUINADO ..................................................................................... 71
7.1.4 COSTOS DE DISEÑO ............................................................................................... 72
7.1.4 COSTOS TOTALES ................................................................................................... 73
ix
CAPÍTULO VIII
8.1 CONCLUSIONES........................................................................................................ 74
8.2 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 75
x
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1.1 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA GOMA E.V.A. ................................ 9
TABLA 2.1 CÁLCULO DE PRESIONES GENERADAS EN EL CORTE .................. 23
TABLA 3.1 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS .......................................................... 33
TABLA 4.1 VALORES DE LAS PRESIONES DE CORTE ........................................ 42
TABLA 7.1 COSTOS DE MANO DE OBRA .............................................................. 69
TABLA 7.2 COSTOS DE MATERIA PRIMA E INSUMOS ........................................ 70
TABLA 7.3 COSTOS DE MAQUINADO ................................................................... 71
TABLA 7.4 COSTOS DE DISEÑO ........................................................................... 72
TABLA 7.5 COSTOS TOTALES ............................................................................... 73
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
FIG 2.1 PARTES DE UNA MATRIZ ................................................................................... 15
FIG 4.1 EXPULSORES ......................................................................................................... 39
FIG 4.2 PLACA SUFRIDERA............................................................................................... 40
FIG. 4.3 FUERZAS QUE ACTÚAN EN EL CORTE. ....................................................... 41
FIG. 4.4 GRÁFICO PARA EL CÁLCULO DEL MOMENTO EN EL EJE X ................ 43
FIG. 4.5 GRÁFICO PARA EL CÁLCULO DEL MOMENTO EN EL EJE Y ................. 44
FIG. 4.6 GRÁFICO DE FUERZAS RESULTANTE EN CADA EJE .............................. 45
FIG. 4.7 GRÁFICOS PARA CÁLCULOS DE LA DEFLEXIÓN EN EL EJE X ............ 46
FIG. 4.8 GRÁFICOS PARA CÁLCULOS DE LA DEFLEXIÓN EN EL EJE Y ............ 49
FIG. 4.9 GRÁFICO PARA EL CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN EN LA PLACA
INFERIOR.................................................................................................................. 51
FIG. 4.10 GRÁFICO DE LA COLUMNA ............................................................................... 53
FIG.4.11 GRÁFICO DE LOS BOCINES. …………………………………………......54
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO A: DIE SET ENGINEERING HANDBOOK AND CATALOG ........................ 78
LEMPCO (TABLAS UTILIZADAS) ................................................................ 78
ANEXO B: TABLAS DE AJUSTES Y DESVIACIONES ............................................... 85
ANEXO C: VALORES NÚMERICOS DE LAS TOLERANCIAS ................................. 90
FUNDAMENTALES......................................................................................... 90
ANEXO D: TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS DE FORMA Y POSICIÓN ................ 92
ANEXO E: AJUSTES RECOMENDADOS ...................................................................... 94
ANEXO F: MANUAL DE ACEROS PARA TRABAJO EN FRÍO ................................. 96
ANEXO G: FACTURAS ....................................................................................................... 105
ANEXO H: PLANOS DE CONJUNTO Y TALLER ........................................................ 109
ANEXO I: FOTOS DEL PROYECTO ............................................................................. 110
xiii
SIMBOLOGÍA UTILIZADA
τ rot Resistencia a la rotura por tracción
τ ciz Resistencia al cizallamiento
P Presión del troquel, carga.
K Coeficiente dependiente de los bordes cortantes
L Longitud de cizallamiento
S Espesor del material
menort Tiempo menor de corte de todas las máquinas
mt Tiempo que ocupa cada máquina en realizar el corte
menorC Costo de la máquina menor
mC Costo de la máquina
Calf Calificación de la máquina
R Confiabilidad del diseño
I Momento de inercia E Módulo de elasticidad del acero e Espesor de la goma E.V.A. M i Momentos flectores Y i Deflexión
xiv
RESUMEN
El primer capítulo del presente trabajo se refiere a la importancia del material
didáctico utilizado en la educación, se expone todo lo referente al material que se
emplea para troquelar y obtener el material didáctico propuesto.
En el segundo capítulo se describe nociones del diseño de matrices, clasificación de
matrices, partes de una matriz y por último se realiza una explicación de la matriz de
corte.
En el capítulo tres se estudia los parámetros funcionales de la matriz y se realiza un
estudio y selección de alternativas, con estos datos se escoge el diseño más
conveniente, considerando costos de mano de obra, producción, etc.
En el capítulo cuatro se realizan los cálculos necesarios para garantizar confiabilidad
del diseño, con éstos datos se selecciona la materia prima a ser trabajada.
En el capítulo cinco se encuentran los planos de conjunto y planos de taller
necesarios para la construcción de la matriz.
El capítulo seis describe la construcción de la matriz, el montaje de la matriz en la
prensa y las pruebas realizadas en planchas de E.V.A.
En el capítulo siete se realiza un análisis de costos de la construcción y diseño del
proyecto; se adjuntan tablas de costos de mano de obra, costos de insumos y
materia prima, costos de utilización de máquinas herramientas, etc., se obtiene un
costo real y cercano al inicialmente imaginado.
En el capítulo ocho se recomienda sobre el uso adecuado de la matriz, como
montar y realizar pruebas de forma segura y eficiente.
xv
PRESENTACIÓN
La enseñanza escolar es la base en el proceso educativo de los alumnos; en los
últimos tiempos existen nuevas tendencias y procesos pedagógicos que incentivan
al niño al aprendizaje y facilitan la captación de ideas, utilizando materiales
didácticos que estimulan los sentidos.
La necesidad de los niños de aprender con mayor facilidad utilizando materiales
nuevos, coloridos y llamativos, es la razón por la que se ha decidido presentar este
trabajo.
Se ha visto que en el Ecuador no existe una empresa que se dedique técnicamente
a esto, es por eso que el diseño y construcción de esta matriz es fundamental para
impulsar la formación de empresas que se dediquen a la elaboración y distribución
del material didáctico de buena calidad y que compita con facilidad con el material
didáctico importado.
1
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 MATERIAL DIDÁCTICO
En el proceso de enseñanza aprendizaje la selección del material didáctico es de
suma importancia; éste motiva al alumno y permite que enfoque su atención y así
pueda fijar y retener los conocimientos.
Un proceso de enseñanza activo requiere por parte del docente un conocimiento
claro y preciso sobre la importancia, uso y confección de diversos materiales que
contribuyen a un mejor aprendizaje en los alumnos.
El uso del material didáctico será efectivo si hay una participación mental activa de
parte de los alumnos por medio de la atención, interés y percepción adecuada; los
materiales que se presenten deben cumplir con los objetivos planificados y ser de la
mejor calidad. Igualmente el docente debe demostrar dominio y destreza en el uso
adecuado de cualquier material didáctico.
1.1.1 CONCEPTO Y NATURALEZA DEL MATERIAL DIDÁCTI CO
Los materiales didácticos son todos aquellos canales a través de los cuales se
comunican los mensajes educativos. Son un conjunto de recursos que utiliza el
2
docente en la estructura escolar para activar el proceso de enseñanza. Estas ayudas
pueden dividirse en material para actividades individuales y material de uso.
Es necesario que los materiales didácticos jueguen un papel importante en el
proceso de adquisición de conceptos que han de formarse en el niño y por lo tanto
en la formación integral de su personalidad, ya que logra cambios de conducta en el
desarrollo de habilidades y destrezas del niño.
Con anterioridad el material didáctico tenía una finalidad más ilustrativa y se le
mostraba al alumno con el objeto de ratificar y esclarecer lo que ya había sido
explicado. El material era solamente general, "era intocable" para quien no fuese el
maestro; se conocían en visitas a laboratorios en donde el material bien estaba
clavado en las paredes o puesto bajo llave en los armarios.
En la actualidad el material didáctico tiene otra finalidad; más que ilustrar tiene por
objeto llevar al alumno a trabajar, investigar, descubrir y a construir. Adquiere así un
aspecto funcional dinámico, propiciando la oportunidad de enriquecer la experiencia
del alumno, aproximándolo a la realidad y ofreciéndole ocasión para actuar.
1.1.2 CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL DIDÁCTICO
Los materiales didácticos tienen diversos objetivos, los cuales nos permiten distintas
clasificaciones. Todos van encaminados al aumento de motivación, interés, atención,
comprensión y rendimiento del trabajo escolar, ellos impresionan fundamentalmente:
al oído, la vista, el tacto.
Hay muchas clasificaciones del material didáctico; la que más parece convenir
indistintamente a cualquier disciplina es la siguiente:
• Material permanente de trabajo: es el que el docente utiliza todos los días,
pizarrón, tiza, cuadernos, reglas, etc.
3
• Material informativo: mapas, libros, diccionarios, revistas, periódicos, discos,
filmes, etc.
• Material ilustrativo visual o audiovisual: esquemas, cuadros sinópticos, dibujos,
carteles, rompecabezas, grabados, muestras en general, discos, grabadoras,
proyectores, etc.
• Material experimental: aparatos y materiales variados para la realización de
experimentos en general.
1.1.3 CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL DIDÁCTICO
Para ser realmente una ayuda eficaz, el material didáctico debe:
- Ser adecuado al tema de la clase.
- Ser de fácil aprehensión y manejo.
- Estar en perfectas condiciones de funcionamiento.
Es muy importante que el docente revise todo el material que va a utilizar en la clase
previamente, examinarlo para cerciorarse de su perfecto funcionamiento.
Cualquier contratiempo perjudica la marcha normal de la clase, provocando casi
siempre situaciones de indisciplina. El docente se descontrola y difícilmente
consigue restablecer el orden en los trabajos de la clase.
El material didáctico debe quedar ubicado, siempre que sea posible a la vista para
que sea de fácil acceso.
4
1.1.4 FUNCIONES BÁSICAS DEL MATERIAL DIDÁCTICO
Los materiales bien utilizados pueden cumplir las siguientes funciones:
- Interesar al grupo.
- Motivar al alumno.
- Enfocar su atención.
- Fijar y retener conocimientos.
- Variar las estimulaciones.
- Fomentar la participación.
- Facilitar el esfuerzo de aprendizaje.
- Concretar la enseñanza evitando divagaciones y el exceso de verbalismo.
1.1.5 FINALIDADES DEL MATERIAL DIDÁCTICO
La finalidad general consiste en orientar y conducir al niño a trabajar por su cuenta,
descubrir con su esfuerzo los conocimientos que se le indican. La experiencia del
niño se enriquecerá espontáneamente aproximándolo a la realidad que le pertenece
y en la cual le corresponde actuar.
Entre algunas finalidades específicas que persigue el uso de los materiales
didácticos en la escuela se tiene:
5
- Aproximar la realidad de lo que se quiere enseñar al alumno, ofreciéndole nociones
exactas de los hechos y problemas que la rodean.
- Motivar la clase.
- Facilitar la percepción y la comprensión de los hechos y conceptos.
- Concretar e ilustrar lo que se expone verbalmente.
- Economizar esfuerzos para conducir a la comprensión de hechos y conceptos por
parte de los alumnos.
- Contribuir a la fijación del aprendizaje a través de impresiones vivas y sugestivas.
El material didáctico demuestra su eficiencia si se adecua al contenido de la clase en
donde se utiliza, si es fácilmente captado y manejado con naturalidad por los
estudiantes, si los aparatos que se utilizan están en perfecto estado de
funcionamiento ya que nada inspira ni constituye mayor factor de desaliento que la
frustración ante una actividad anunciada y suspendida, parcialmente lograda o con
imperfecciones.
Todo lo explicado lleva a concluir que la utilización del material didáctico dentro del
proceso de educación de los niños es de mucha ayuda para facilitar el aprendizaje; se
observa además que el material didáctico debe ser seguro y fácil de manipular, debe ser
adecuado al tema tratado en clase, vistoso, para garantizar la aceptación del alumnado.
El rompecabezas es un material didáctico ilustrativo muy utilizado por los profesores, ya
que con el se estimula la capacidad de retención, la creatividad, la rapidez mental y
motriz del niño. Por esta razón se ha decidido realizar el diseño de una matriz que
permita elaborar rompecabezas.
6
En el mercado se encuentra rompecabezas de distintos materiales tales como: madera,
cartón, plástico, goma, caucho, papel, etc. En la actualidad, se ve un incremento de
rompecabezas elaborados con goma E.V.A., ya que este material permite obtener
material didáctico de colores muy vistosos, de fácil manejo, liviano, de fácil limpieza,
económico y duradero; por lo que se ha seleccionado este material para el fin propuesto
en este trabajo.
1.2 ETIL VINIL ACETATO (E.V.A)
1.2.1 DEFINICIÓN
Es un compuesto basado en un copolímero, de ETILENO con ACETATO de VINILO;
este copolímero posee propiedades elásticas, las cuales se ven mejoradas por la
acción de peróxidos; van desde los termoplásticos hasta productos tipo caucho. La
incorporación del monómero de acetato de vinilo produce reducción de la
cristalinidad del material, razón por la cual las propiedades del Etil vinil acetato
(E.V.A.) dependen en gran medida del peso molecular y del contenido de acetato de
vinilo. Con la acción de esponjantes que liberan nitrógeno se forma una espuma con
microburbujas que permite que el material sea liviano y de gran resistencia mecánica
respecto de su densidad.
Con el agregado de pigmentos se consigue una variedad de colores amplia, que
hacen de este material lo más atractivo e indicado para la confección de
manualidades y artículos decorativos.
La principal propiedad de la Goma E.V.A. es la absorción de impactos; su
componente principal es el látex. El látex es una resina que se obtiene de más de
cien especies de arbustos o del petróleo, que con el calor se vuelve pegajosa y con
el frío se quiebra con facilidad, por lo que después de haber sido tratado inicialmente
en planchas, se debe añadir ácido etílico, vinilo y acetato (etil-vinil-acetato) para
obtener la goma E.V.A.
7
La goma E.V.A. se presenta con diferentes densidades que la pueden convertir en
más o menos compacta, rígida, flexible, blanda, elástica, etc.
En ocasiones se mezcla con otros materiales consiguiendo hacerla más liviana, pero
en la medida que se mezcla, irá perdiendo sus propiedades originales de absorción
de impactos. Como referencia se puede observar que todas las zapatillas del
mercado tienen una base de goma E.V.A. presentada en múltiples formas y
densidades.
1.2.2 COMPOSICIÓN
El contenido de acetato de vinilo en el copolímero varía desde el 5% hasta el 50%,
aunque para aplicaciones óptimas el contenido de acetato de vinilo debe estar en un
rango desde 5% al 20%; con 30% a 50% del acetato de vinilo, posee propiedades
elastoméricas.
1.2.3 INCIDENCIA DEL CONTENIDO DE ACETATO DE VINILO EN EL E.V.A
Las propiedades del E.V.A. dependen en gran medida del peso molecular y del contenido
de acetato de vinilo.
El incremento de contenido de acetato de vinilo produce que:
- La cristalinidad del EVA decrezca.
- La densidad del EVA aumente.
- El EVA se vuelva claro.
- El EVA se vuelva más flexible a bajas temperaturas.
8
- El EVA se vuelva más resistente al impacto.
- Si el contenido de acetato de vinilo es mayor a 50%, el EVA es amorfo y
transparente.
- Cuanto más porcentaje de AV (acetato de vinilo) mayor dilatación con calor.
1.2.4 PROPIEDADES
- Excelentes propiedades ópticas;
- Alta flexibilidad a bajas temperaturas;
- Buena resistencia a la perforación y al impacto;
- Alta elasticidad y fácil procesamiento;
- Buena resistencia a la flexión;
- Baja temperatura de contracción;
- Excelente aislante de ruidos;
- Buenas propiedades de absorción de vibración;
- Buena resistencia a la luz ultravioleta;
- Alta resistencia mecánica con relación a su densidad;
9
- Excesiva plasticidad (cuando se estiran no se recuperan).
Tabla 1.1 Propiedades mecánicas de la Goma E.V.A.
GOMA E.V.A.
RESISTENCAI A LA TRACCIÓN DE 3 A 7 N/mm²
ELASTICIDAD 2
RASGADO 3 N/mm
FLEXIÓN CON CORTE INICIAL 2mmDESPUES DE 30.000 FLEXIONES EL CORTE NO DEBE PASAR LOS 6mm
FLEXIÓN SIN CORTE INICIAL DEBE RESISTIR 30.000 FLEXIONES SIN DAÑO
1.2.5 APLICACIONES
La aplicación más difundida de la goma E.V.A. es en la industria del calzado de
playa así como en zapatillas deportivas, como piso para gimnasio, para la
fabricación de material didáctico, artículos médicos, cubiertas de invernadero, como
recubrimiento en algunos artículos deportivos; empacado de alimentos al vacío,
además su resistencia a la oxidación la convierte en casi inalterable con el paso del
tiempo.
10
CAPÍTULO II
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE MATRICES
2.1 NOCIONES DEL ESTAMPADO EN FRÍO
El estampado en frío es uno de los métodos de tratamiento de los materiales por
presión, en el que el material frío se deforma plásticamente. Según el tipo y las
dimensiones, especialmente el espesor de la materia prima, existen dos variedades
de estampado en frío: el estampado de chapa fina y el estampado a presión.
Con el estampado de chapa fina, por lo general, se fabrican piezas superficiales;
mientras que el estampado a presión en frío sirve para fabricar piezas de tochos
volumétricos.
Las operaciones principales del estampado de chapa fina son: las de separación
(corte, cortadura a estampa, punzonado, etc.) y las de deformación (curvado,
embutición, doblado, enderezado, arrollamiento, etc.).
Por medio del estampado se fabrican más del 70% de las piezas de automóviles, un
80% de los artículos metálicos de alto consumo, etc.
El estampado en frío se efectúa principalmente en prensas mecánicas e hidráulicas.
11
2.1.1 MATERIAS PRIMAS PARA EL ESTAMPADO EN FRÍO
Para fabricar piezas por medio de estampado en frío, se emplean diferentes
materiales metálicos y no metálicos. Estos materiales se suministran a los talleres de
estampados en frío en forma de chapas, láminas, cintas, bandas y barras.
Los metales y las aleaciones son los materiales principales en la construcción de
máquinas modernas. La mayoría de ellos son capaces de cambiar su forma bajo la
acción de fuerzas externas, o sea, de deformarse plásticamente quedando intactos e
irreversibles.
Los materiales no metálicos sirven para fabricar por medio del estampado
materiales aislantes, decorativos, juguetes, juntas, etc.
Los materiales no metálicos más empleados son: plásticos, goma, ebonita,
materiales a base de papel y materiales de origen mineral.
La goma E.V.A. sirve principalmente para estampar juntas y piezas para hermetizar
sistemas hidráulicos y neumáticos, aisladores de dispositivos eléctricos, piezas para
disminuir ruido y vibración, juguetes, rompecabezas, etc.
La goma se estampa difícilmente a causa de su elasticidad que bordea el 700%, por
eso se practica más el recorte por estampa de los artículos de goma.
2.1.2 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Y
MECÁNICAS DE LOS MATERIALES.
El material que llega a los talleres de estampado en frío es sometido a una serie de
controles, como son: análisis dimensional y de propiedades mecánicas
12
especialmente.
Las propiedades mecánicas del material se determinan con ensayos de
alargamiento que establecen el límite de fluencia, el límite de rotura, el alargamiento
relativo y otros índices que permiten saber la capacidad de un material a ser
estampado; ensayos de dureza que determinan la capacidad de un material de
oponerse a la introducción de otro material más duro ; ensayos de resilencia que es
la capacidad de un material de resistir cargas de impacto; el ensayo de
cizallamiento, permite determinar su resistencia al cizallamiento, por los resultados
de esta prueba se juzga la posibilidad de la realización de operaciones de
separación; el ensayo de flexión y doblamiento, determina la posibilidad del material
de curvarse.
De lo anterior se concluye que para el caso de diseñar una matriz de corte, los
parámetros necesarios son la dureza y la resistencia al cizallamiento; en caso de no
tener el valor de la resistencia al cizallamiento, se toma la resistencia a la rotura por
tracción.
2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTAMPAS O MATRICES
Las estampas que se emplean para el estampado en frío se clasifican según el tipo
de operaciones, las características tecnológicas y la universalidad del uso.
2.2.1 SEGÚN EL TIPO DE OPERACIONES
- Estampas para operaciones de separación, en las que una parte del material se
separa de la otra; entre las principales operaciones de separación están el corte, la
tajadura, cortadura a estampa, punzonado, recorte, entalladura, perforación y
desbarbado.
- Para operaciones de deformación, en las cuales se altera la forma de los tochos
13
sin la destrucción de los mismos; operaciones de deformación son: curvado, torsión,
embutición, rebordeado, enrollamiento, alargamiento perimétrico, cinglado, moldeo,
enderezado, etc.
- De estampado y montaje, en las que se unen mecánicamente diferentes piezas
estampadas de chapa y se asegura el acoplamiento de las piezas por medio del
doblamiento de patillas, éstas son: empalme endentado, doblamiento de los bordes,
remachado, empotrado, cinglado, etc.
2.2.2 SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
- Estampas de acción simple, que están destinadas a ejecutar una o varias
operaciones en una sola carrera de la corredera de la prensa dentro de los límites de
un paso del avance de la pieza bruta. En tales estampas se efectúan solo la
embutición o el curvado y el punzonado de uno o varios orificios.
- Estampas de acción combinada, en una carrera de la prensa se ejecutan
operaciones o etapas de estampado heterogéneas, por ejemplo, cortadura y
embutición, curvado y punzonado.
- Estampas de acción sucesiva, que están destinadas a ejecutar varias operaciones
o etapas del estampado en varias carreras de la corredera de la prensa; cada etapa
del estampado se ejecuta en una sola posición de la estampa, la pieza bruta o cinta
se desplaza, después de cada carrera de la corredera de la prensa, de una posición
a otra. Las estampas de acción sucesiva, pueden tener las características de las de
acción combinada, es decir, en algunas posiciones pueden ser ejecutadas varias
operaciones.
Las estampas de acción simple son de construcción más simples y más baratas, se
emplean frecuentemente en la producción de pequeños lotes.
Las estampas de acción combinada y sucesiva son más complicadas y caras, pero
14
son a la vez más productivas y se usan principalmente para la producción en serie.
2.2.3 SEGÚN LA UNIVERSALIDAD DEL USO
- Estampas especiales, que están destinadas a fabricar una pieza determinada,
estas estampas se montan en las unidades o piezas de montaje que se utilizan solo
en la estampa dada.
- Estampas universales, en las que se puede fabricar diferentes piezas reajustando
o sustituyendo algunas unidades de montaje de la estampa.
2.2.4 SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN
Las estampas pueden ser sin guías o con ellas; las guías aseguran la precisión
elevada de la coincidencia de las mitades superior e inferior de la estampa durante
el estampado. De dispositivos guías sirven las columnas guías, placas guías,
regletas guías, etc.
2.3 PARTES Y PIEZAS DE LAS ESTAMPAS
Por su destino, las piezas de las estampas se subdividen en tecnológicas y de
construcción. Las tecnológicas aseguran directamente la ejecución de la operación
tecnológica y se encuentran en interacción con el material a trabajar. A esta
pertenecen los punzones, matrices, listones o regletas guías, sujetadores,
expulsores, etc.
Las de construcción se usan para acoplar todas las piezas de la estampa en una
construcción única y para fijar la estampa en la prensa, pueden ser las placas de la
estampa, colas, columnas guías y piezas de sujeción.
15
Las estampas constan ordinariamente de un bloque de piezas de construcción y de
varias unidades o conjuntos de montaje de piezas tecnológicas.
El bloque se compone de las placas superior e inferior de la estampa, columnas y
casquillos guías y de la cola.
La Fig. 2.1 presenta las partes de una matriz.
a. Placa Superior
b. Placa Inferior
c. Cola
d. Columna Guía
e. Casquillo o Buje Guía
f. Placa Portapunzón
g. Punzón (cuchilla aguzada)
h. Sufridera
i. Plancha de apoyo
j. Regletas Guía
k. Expulsores
l. Tornillos de sujeción
Fig 2.1 Partes de una matriz
2.3.1 PLACAS DE LA ESTAMPA
Las piezas de la estampa se fijan en las placas superior e inferior. La forma y las
dimensiones de las placas de la estampa se escogen según las dimensiones de las
piezas a estampar, tipos de etapas del estampado, dimensiones del espacio de
estampado y otros datos. Las placas son fundidas de hierro colado o acero.
16
2.3.2 COLA
Se usa para fijar la placa superior a la corredera de la prensa. Se fabrica de acero
ASTM A45, ASTM A50, etc.
2.3.3 COLUMNAS Y CASQUILLOS GUÍAS
Aseguran la coincidencia exacta de las mitades superior e inferior de la estampa, y,
por consiguiente, la coincidencia exacta de los punzones y matrices en el
estampado. La utilización de las columnas y casquillos guías simplifica la instalación
y el ajuste de la estampa sobre la prensa.
El bloque de la estampa puede tener varios conjuntos de columnas y casquillos. En
las columnas guías se hacen torneados que dividen las columnas en dos partes.
Una parte es empotrada bajo presión en la placa, la otra se usa como guía del
movimiento. Se pueden empotrar las columnas y casquillos a la placa superior o a la
inferior, pero para hacer más cómoda la evacuación de las piezas estampadas, las
columnas se empotran a la placa superior y los casquillos a la inferior.
Las columnas y los casquillos se suelen fabricar de acero 20, se someten a temple y
revenido, asegurando la dureza de sus superficies de HRC 58-62. Tales piezas
tienen un núcleo viscoso y una superficie dura, lo que asegura una alta resistencia al
desgaste conservando la solidez necesaria; a veces se emplean columnas
templadas de acero ASTM A45.
2.3.4 PUNZONES
En las estampas se usan punzones de diferentes construcciones y finalidades. Las
17
formas geométricas de su parte de trabajo se escogen según el destino y la forma de
la pieza a estampar y las dimensiones operacionales se determinan por cálculo.
Los punzones cortadores de dimensiones grandes se hacen fundidos. Los punzones
de dimensiones medias se hacen de acero U10A, J12M, 6JVF, etc.
La dureza de la superficie de trabajo de los punzones debe estar entre HRC 54-58,
aunque ésta se determina según la finalidad de los punzones.
Para cortar materiales elásticos o fibrosos se usan punzones de recorte que
generalmente son cuchillas que repiten la forma de la pieza o punzones sólidos a los
que se les ha maquinado hasta obtener un filo con la forma de la pieza que se quiere
obtener.
2.3.5 MATRIZ O SUFRIDERA
Las construcciones de las matrices dependen del tipo de la operación tecnológica
(corte, doblado, embutición, etc.).
Una matriz puede estar compuesta de varias matrices pequeñas o casquillos, los
cuales, el momento de romperse o dañarse, pueden ser cambiados, sin necesidad
de cambiar toda la matriz, esto, aunque complica el trabajo inicial en la construcción
de una matriz, reduce a futuro los costos y el tiempo de recambio.
La superficie de trabajo de las matrices de acero, después del tratamiento térmico,
suele ser HRC 56-60.
Para el corte de algunos materiales muy flexibles, en muchas ocasiones se utiliza
una sufridera sólida, en la cual no se da la forma de la pieza que se quiere obtener,
sino que es una placa sobre la cual se ejecuta el recorte, esta placa puede ser de
madera, plástico, metales suaves, etc., y puede ser recubierto con caucho, goma o
corcho, con el fin de no dañar o desafilar el punzón.
18
2.3.6 FIJACIÓN DE PUNZONES Y MATRICES
Los punzones y matrices se fijan a las placas superior e inferior por medio de
portapunzones y portamatrices o sin ellos.
Los punzones pequeños se empotran a presión en los portapunzones.
Los portapunzones y portamatrices se atornillan a la placa y se fijan por medio de
espigas de retén. En ocasiones, especialmente cuando la presión de trabajo es
grande, se coloca entre la placa superior y los portapunzones una placa de acero
templado llamada plancha de apoyo, que protege la placa superior contra las
abolladuras que surgen durante el funcionamiento de la estampa.
Dependiendo de las dimensiones de las piezas, del material y principalmente de la
presión de trabajo, se puede descartar en el diseño los portapunzones y
portamatrices, ya que las placas superior e inferior pueden ser utilizadas para fijar
directamente en ellas los punzones y especialmente la matriz.
2.3.7 PIEZAS DE SUJECIÓN Y EXPULSIÓN DE LAS ESTAMPAS
Son los apoyos, pescadores, plantillas, fijadores, listones guías, sujetadores
laterales, etc.
Los apoyos están destinados a orientar bien la chapa, banda, lámina o pieza bruta
suministrada a la estampa. La pieza bruta que viene a la estampa, choca contra el
apoyo y se fija en una posición estrictamente determinada, es decir en la dirección
de avance respecto al punzón o a la matriz. Los apoyos se utilizan en caso del
19
estampado con avance manual.
Los pescadores se utilizan en las estampas sucesivas para evitar los errores que
pueden suceder durante el avance de la banda o cinta, los pescadores se colocan
en la segunda posición o en una de las posiciones posteriores de la estampa si ésta
es de varias etapas.
Los listones y regletas guía orientan la pieza bruta en la estampa solo en sentido
transversal.
Los sujetadores evitan la formación de arrugas en la embutición, así como de
torceduras de las piezas planas en la cortadura o el punzonado. Al mismo tiempo
pueden ser extractores.
2.4 MATRICES DE CORTE
En la cortadura o el punzonado, el material trabajado al deformarse elásticamente,
cubre fuertemente el punzón. Para quitar el material de encima del punzón se
emplean extractores móviles o fijos. Si en la cortadura, el punzonado o la embutición
es difícil expulsar la pieza o el desecho haciéndolo pasar a través del agujero de la
matriz, se retira por medio de la expulsión inversa con ayuda de expulsores. Estos
últimos pueden ser mecánicos (rígidos y a muelle), hidráulicos y neumáticos.
2.4.1 OPERACIONES DE CORTE O SEPARACIÓN CON ESTAMPA
Para realizar el corte de una placa o lámina de cualquier material se pueden utilizar
estampas en las que el corte se realice gracias al juego u holgura que haya entre el
punzón y la sufridera, a esta operación se la denomina punzonado. Se puede usar
también la cortadura a estampa con punzones de aristas aguzadas, en la que el
20
corte se realiza gracias a que los punzones son cuchillas que cortan el material sin
necesidad de interactuar con la sufridera.
Todas estas operaciones se realizan en prensas o troqueladoras, que pueden ser
mecánicas, hidráulicas, martillos, máquinas rotativas, prensas automáticas,
diferentes tijeras, estampado con impulsos eléctricos, etc.
La prensa mecánica es la más utilizada para el estampado, para el diseño de una
matriz se debe calcular el esfuerzo o la presión de trabajo necesaria para realizar la
operación, este esfuerzo debe ser menor al esfuerzo admisible de la corredera de la
prensa, que esta dado en las características técnicas de la prensa como esfuerzo
nominal, este es el máximo esfuerzo al que puede estar sometida una prensa y que
corresponde a la posición de la corredera en el punto muerto inferior, es así que se
tienen prensas que resisten muy pocos kilogramos hasta prensas enormes de varios
cientos de toneladas.
2.4.1.1 PUNZONADO
En el punzonado y en la cortadura a estampa la separación del material se realiza
en tres etapas que se señalan a continuación:
Primera Etapa. El punzón comprime y curva ligeramente el material, se mete a
presión dentro del mismo, introduciéndolo en la matriz en el caso de punzonado.
Segunda Etapa. La penetración del punzón en el material es acompañada por el
corte de las fibras del material por el borde del punzón desde encima y por el de la
matriz por debajo; en el caso de cortadura por estampa, solo el punzón realiza el
corte.
Tercera Etapa. El movimiento del punzón hace que aparezcan grietas de
21
rompimiento en el material, las grietas se unen y así, una parte del material se
separa de la otra.
2.4.2 HOLGURA ENTRE PUNZÓN Y MATRIZ
La holgura o juego que debe existir entre el punzón y la sufridera influye
marcadamente en la magnitud del esfuerzo, el desgaste y la resistencia de las
estampas, y en calidad y precisión de las piezas obtenidas.
La holgura en dos lados “z” que se mide en milímetros, se determina con la siguiente
ecuación:
z = mS
Donde S es el espesor del material (mm); m es un coeficiente variable que depende
del tipo de operación, del espesor y de las propiedades del material.
Para cortadura y punzonado, 0.05 < m <0.2.
Para obtener piezas de mejor acabado, m debe ser menor, pudiendo tener valores
de hasta 0.02.
Según las propiedades del material a ser cortado, m es menor si se trata de un
material suave y flexible, por lo que en el caso de goma que es un material muy
flexible, m debe estar entre 0.02 y 0.05.
En el estampado, los punzones y matrices se desgastan y el juego entre ellos
aumenta, por lo que se debe diseñar una matriz con una holgura próxima al mínimo.
En el caso de realizar cortadura con punzones tipo cuchilla, el punzón y el material a
22
ser cortado no se introducen en la sufridera, no existe juego entre el punzón y la
sufridera.
2.4.3 ESFUERZO DE CORTE
Para realizar un corte por todo el contorno de la pieza se requiere de un esfuerzo (P)
realizado por los punzones, este esfuerzo es transmitido a la placa superior y a la
prensa.
El esfuerzo de corte se determina según la siguiente ecuación:
P = KLSτciz (kgf)
Donde L es la longitud de la línea de cizallamiento o el perímetro del contorno a
cortar (mm); K es un coeficiente que depende del estado de los bordes cortantes del
punzón y la sufridera, de la irregularidad del espesor del material, este valor varía
entre 1.25 y 1.3 ; S es el espesor del material (mm) ; τciz, es la resistencia al
cizallamiento (kg/mm), si no se tiene acceso a este valor, se utiliza la resistencia a la
rotura por tracción (τ rot ), ya que este dato es más común y los fabricantes lo
suministran más frecuentemente.
Si usamos punzones tipo cuchilla, la expresión anterior que como sigue:
P = LSτciz (kgf)
Esto se debe a que en este caso no interactúan el punzón y la sufridera, por lo que
el coeficiente K es igual a 1.
23
La tabla 2.1 nos indica los valores de las presiones generadas por cada punzón.
Para este diseño se tendrá:
Tabla 2.1 Cálculo de presiones generadas en el corte
PUNZONESpeímetro/punzones τ rot E.V.A e (espesor)
Presiones generadas
(mm) (kg / mm²) (mm) (kg )F0 fuerza punzón 200mm 200 0,71 10 1420F6 fuerza punzón 200mm 200 0,71 10 1420F7 fuerza punzón 300mm 300 0,71 10 2130F11 fuerza punzón 300mm 300 0,71 10 2130Punzón A, P1 240 0,71 10 1704
Punzón a, P2 194 0,71 10 1377Punzón E, P3 270 0,71 10 1917Punzón e, P4 222 0,71 10 1576Punzón I, P5 190 0,71 10 1349Punzón i, P6 122 0,71 10 866Punzón O, P7 252 0,71 10 1789Punzón o, P8 173 0,71 10 1228Punzón U, P9 265 0,71 10 1882Punzón u, P10 177 0,71 10 1257Punzón circunf., P11 157 0,71 10 1115Punzón rectáng., P12 200 0,71 10 1420Punzón triáng., P13 192 0,71 10 1363Punzón óvalo, P14 157 0,71 10 1115Punzón cuadrado., P15 180 0,71 10 1278
24
CAPÍTULO III
PARÁMETROS FUNCIONALES
3.1 PARÁMETROS IMPORTANTES DEL DISEÑO
Para diseñar cualquier máquina, siempre es necesario comparar entre algunas
alternativas propuestas, estas alternativas deben regirse por algunos parámetros
importantes que se deben tomar en cuenta y que afectan de manera directa en el
diseño y construcción de la máquina.
En el diseño de una matriz para fabricar material didáctico con goma e.v.a., se ha
propuesto los siguientes parámetros como los más importantes:
3.1.1 GEOMETRÍA DEL CORTE
La geometría de corte es un parámetro importante, ya que la máquina para elaborar
los rompecabezas debe lograr obtener elementos exactamente iguales al modelo
propuesto para que el ensamble del rompecabezas sea preciso.
El intercambio de piezas entre un rompecabezas y otro es muy importante, ya que
se quiere obtener piezas de distintos colores, para que un rompecabezas armado
sea mucho más atractivo; por esta razón las piezas obtenidas en el corte deben ser
siempre iguales.
25
3.1.2 TIEMPO PARA OBTENCIÓN DE UN ROMPECABEZAS
Las distintas alternativas de máquinas que se van a proponer, realizan el trabajo en
distintos tiempos, este parámetro es importante, ya que una máquina al obtener el
rompecabezas en un menor tiempo es más eficiente, esto contribuye a que el costo
del producto terminado sea menor.
3.1.3 ACABADO DE LA SUPERFICIE CORTADA
En el mercado actual, los productos que tienen buena presentación se comercializa
con mucha facilidad, por esto se debe lograr un excelente acabado en la superficie
de corte de las piezas del rompecabezas.
3.1.4 COSTO DE LA MÁQUINA
El objetivo del diseño es obtener una máquina eficiente al menor costo posible,
involucrando a los demás parámetros funcionales, posiblemente existirán máquinas
o herramientas que aparentemente tienen un menor costo que la seleccionada, pero
el conjunto de beneficios logrados compensarán y justificarán la inversión hecha.
3.1.5 COSTO DE PRODUCCIÓN
Se debe comparar el costo de producción de un rompecabezas obtenido con las
distintas máquinas o herramientas, tomando en cuenta los factores más importantes
que afectan dicho costo, estos factores son:
- Mano de obra
- Tiempo de obtención de un rompecabezas
26
- Consumo de energía
3.1 ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
Siempre en diseño existen distintas formas con las que se puede obtener el mismo
resultado, el trabajo del diseñador con la poca o mucha información que posee es
saber elegir o demostrar cual de las alternativas es la mejor para obtener los mejores
resultados.
La lluvia de ideas es el primer paso que se debe seguir para dar solución a un
problema.
Para el presente diseño, luego de una evaluación sobre la lluvia de ideas, se
proponen las siguientes alternativas de máquinas o herramientas que pueden
realizar el corte para obtener rompecabezas con goma E.V.A.
- Alternativa 1.- Pantógrafo para corte
- Alternativa 2.- Tijeras o estilete
- Alternativa 3.- Caladora de resistencia eléctrica
- Alternativa 4.- Troquel de corte con punzones de aristas cortantes aguzadas
- Alternativa 5.- Troquel de corte punzón – sufridera
Para hacer la selección de la alternativa que cumpla mejor con los parámetros de
funcionamiento se utilizará el método de pesos diferentes según la importancia de
cada parámetro.
27
3.2.1 GEOMETRÍA DEL CORTE PARA ESTE DISEÑO
A este parámetro se le otorga una calificación ideal de 100, observando el corte se
evalúa el mismo y se otorga un puntaje comprendido entre 50 para el peor acabado
y 100 para el mejor acabado.
- Alternativa 1. Se pueden obtener piezas iguales a las del modelo, por lo que se
otorga un peso de 95.
- Alternativa 2. Al ser difícil el corte con tijeras, las medidas y la forma de las piezas
obtenidas serán de calidad deficiente, por lo que se otorga un peso de 60.
- Alternativa 3. La geometría del corte depende del pulso del operario, mejorará la
geometría del corte con respecto a las tijeras pero no será superior a la de la
alternativa 1, se otorga un peso de 80.
- Alternativa 4. En esta alternativa el corte depende directamente del montaje y
puesta a punto de las cuchillas y del troquel en general, sin verse involucrada en el
corte la manipulación directa del operador, tiene un peso de 90.
- Alternativa 5. Al igual que en la anterior, el corte depende del montaje de la
máquina, pero además es un factor preponderante la exactitud en la holgura que
existe entre el punzón y la sufridera que son los elementos que cortan la pieza, su
peso es de 90.
3.2.2 TIEMPO PARA OBTENCIÓN DE UN ROMPECABEZAS
A este parámetro se le otorga una calificación ideal de 100, que se otorga a la
28
máquina que realiza el corte en menor tiempo.
Para establecer la calificación de las máquinas se procede de la siguiente manera:
m
menor
t
tCalf
100*=
Siendo:
Calf = Calificación de la máquina
- menort = Tiempo menor de corte de todas las máquinas
- mt = Tiempo que ocupa cada máquina en realizar el corte
- 100 = Calificación ideal
Como se verá a continuación, el menor tiempo de corte es de 10 segundos, este
tiempo se obtiene en las alternativas 4 y 5.
El perímetro de corte para el modelo propuesto es de 3 m aproximadamente.
- Alternativa 1. El pantógrafo tiene un avance promedio de corte de 1 cm/s, para
cortar el perímetro dado se requiere de 5 min.
Por lo tanto su peso es de 3,33.
- Alternativa 2. Al ser difícil el corte con tijeras, el tiempo empleado en la práctica es
de 45 min, entonces su peso será 0,37.
29
- Alternativa 3. Para corte con hilo se estima un tiempo de 45 min. Por el tiempo
requerido de preparación de los implementos a utilizarse, por lo que su peso es de
0,37.
- Alternativa 4. Se debe tomar en cuenta el montaje inicial de la máquina que es de 1
hora, con este tiempo y la cantidad de rompecabezas troquelados en una jornada de
8 horas, el tiempo real de corte será de 10 segundos; aplicando la ecuación
expuesta se obtiene un peso de 100, con lo que se demuestra que con esta máquina
se logra una calificación ideal.
- Alternativa 5. Al igual que en la anterior, su peso es de 100.
3.2.3 ACABADO DE LA SUPERFICIE CORTADA
A este parámetro se le otorga una calificación ideal de 80, se observa el acabado
superficial de corte y se lo avalúa entre 50 y 80 como máximo.
El análisis de los resultados para este parámetro es visual, con lo que se obtienen
los siguientes resultados:
- Alternativa 1. Su peso es de 75.
- Alternativa 2. Su peso es de 50.
- Alternativa 3. Su peso es de 65.
- Alternativa 4. Su peso es de 78.
- Alternativa 5. Su peso es de 65.
30
3.2.4 COSTO DE LA MÁQUINA
Para el estudio de este parámetro se ha decidido cuantificar el peso de cada una de
las máquinas y herramientas asumiendo como si fuesen nuevas, obteniendo la
calificación ideal de 90 la máquina o herramienta con el menor costo, para calcular el
peso de las otras alternativas, se utilizará la ecuación detallada a continuación:
Siendo:
Calf = Calificación de la máquina
menorC = Costo de la máquina menor
mC = Costo de la máquina
90 = Calificación ideal
Con estos antecedentes, los pesos son como sigue:
- Alternativa 1. Su peso es de 0,051. ( $ 35000)
- Alternativa 2. Su peso es de 90. ($ 20)
- Alternativa 3. Su peso es de 36. ( $50)
- Alternativa 4. Su peso es de 0,113. $16000
m
menor
C
CCalf
90*=
31
- Alternativa 5. Su peso es de 0,09. $20000
Los costos se han consultado en distintos lugares del mercado y se encuentran
especificados en el anexo 1.
3.2.5 COSTO DE PRODUCCIÓN
Para el cálculo de este rubro existen parámetros serán exactamente los mismos en
todos los casos tales como: materia prima, gastos administrativos, transporte, costos
de embalaje, arriendo, mano de obra indirecta, etc., por lo tanto el cálculo se
simplifica al análisis de mano de obra directa y consumo de energía eléctrica de la
máquina. La calificación ideal la obtendrá la máquina o herramienta cuyo costo de
producción ( mano de obra directa + consumo de energía eléctrica de la máquina)
sea menor, esta calificación es de 90.
La calificación del resto de alternativas se obtiene con la siguiente ecuación:
Siendo:
- Calf = Calificación de la máquina
- menorCp = Costo de la máquina menor
- mCp = Costo de la máquina
- 90 = Calificación ideal
m
menor
Cp
CpCalf
90*=
32
El análisis se lo realiza para una producción de 10 rompecabezas, con una
remuneración básica unificada de $ 200 dólares americanos, realizando un cálculo
sencillo se obtiene el costo Hora - Hombre que es de $ 0,83. Para obtener el costo
de consumo de energía eléctrica se han considerado los valores de servicio,
comercialización e impuestos de una factura de la empresa eléctrica, de esta forma
se obtiene un valor de $ 0.10 kwh.
- Alternativa 1. En este caso se ocupa un tiempo de 50 minutos para obtener la
producción planteada, así con una regla de tres sencilla se obtiene el costo de la
mano de obra directa que es $ 0,69, se debe añadir el costo de consumo eléctrico,
se conoce que la potencia de esta máquina es de 2.3 KW por lo tanto el costo de
consumo de esta máquina es de $ 0.19 para la obtención de 10 rompecabezas, el
costo total de producción de diez rompecabezas será de $ 0.88, el peso para esta
alternativa es de 3.07.
- Alternativa 2. El tiempo requerido para la obtención de 10 rompecabezas con esta
herramienta es de 450 minutos.
El costo de la mano de obra directa es $ 6.23; el consumo de energía eléctrica de la
herramienta es de $ 0; el costo total de producción de diez rompecabezas es de
$ 6.23; su peso es de 0.433.
- Alternativa 3. El tiempo requerido para la obtención de 10 rompecabezas con esta
herramienta es de 450 minutos.
El costo de la mano de obra directa es $ 6.23; el consumo de energía eléctrica de la
herramienta es de $ 0.08, pues utiliza una resistencia de 100w; el costo total de
producción de diez rompecabezas será de $ 6.31 su peso es de 0.428.
- Alternativa 4. El tiempo requerido para la obtención de 10 rompecabezas con esta
33
herramienta es de 1,67 minutos.
El costo de la mano de obra directa será $ 0,024; el consumo de energía eléctrica
de la herramienta es de $ 0.005, pues su potencia es de 2.5 kW; el costo total de
producción de diez rompecabezas será de $ 0.03; su peso es de 90.
- Alternativa 5. El tiempo requerido para la obtención de 10 rompecabezas con esta
herramienta es de 1,67 minutos.
El costo de la mano de obra directa es $ 0,024; el consumo de energía eléctrica de
la herramienta es de $ 0.005, pues su potencia es de 2.5 KW; el costo total de
producción de diez rompecabezas es de $ 0.03; su peso es de 90.
3.2.6 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
Con el análisis realizado se elabora una tabla resumen de los pesos obtenidos y se
selecciona la mejor alternativa.
La tabla 3.1 indica la mejor alternativa a seleccionar para la construcción de la
matriz.
Tabla 3.1 Selección de alternativas
Parámetros
Pantógrafo
Tijeras
Corte
con hilo
Troquel
Cuchilla
Aguzada
Troquel
Punzón-
Sufridera
Geometría 95,000 60,000 80,000 90,000 90,000
Tiempo 3,330 0,370 0,370 100,000 100,000
Acabado 75,000 50,000 65,000 78,000 65,000
Costo Máq. 0,051 90,000 36,000 0,113 0,090
34
Costo Prod. 3,070 0,433 0,427 90,000 90,000
Peso total 176,451 200,803 181,797 358,113 345,09
Se selecciona la máquina cuyo peso total es el mayor, se observa claramente que
los troqueles en los dos casos pueden ser considerados (alternativas 4 y 5), pero la
inversión inicial para la construcción de las matrices es elevada en el caso de
punzón sufridera, además el acabado de corte no es el deseado, por lo que se ha
decidido diseñar y construir un troquel de cuchillas aguzadas para la fabricación del
material didáctico propuesto en esta tesis.
3.3 ESTUDIO DE MERCADO
Este estudio se lo realiza a nivel nacional, en centros educativos infantiles que son
los potenciales compradores del producto.
3.3.1 DEMANDA
El análisis de la demanda tiene por objeto demostrar y verificar la existencia en
ubicaciones geográficas definidas, individuos, organizaciones que son
consumidores, usuarios actuales o potenciales del bien o servicio que se piensa
ofrecer.
Es así como el estudio de mercado se lo ha hecho en base a encuestas realizadas
directamente en los centros educativos especialmente de Quito, para de esta
manera tener una proyección a nivel nacional o por lo menos regional.
Las preguntas que se realizan en la encuesta pretenden abarcar los siguientes
aspectos.
35
- Situación actual. Estimación cuantitativa del volumen actual de uso y consumo.
- Incremento de la demanda. Este aspecto se refiere a un valor que puede ser de
mucha utilidad para el fabricante ya que incrementa o disminuye su producción.
- Situación futura. Este punto tiene como finalidad hacer operaciones futuras en
cuanto a la producción.
3.3.2 ANÁLISIS DE LA ENCUESTA
Las encuestas se realizaron en algunas instituciones educativas de Quito y de otras
ciudades.
- Situación actual
Se pudo determinar con la visita a distribuidoras de este tipo de material didáctico
que el mercado es amplio y tiene una gran demanda debido a que en la enseñanza
escolar, la utilización de este material didáctico como complemento del aprendizaje
cada día es más notoria. Hay que tomar en cuenta que no existen muchas
empresas, sobre todo nacionales que se dediquen a este tipo de trabajo, puesto que
en el país la goma E.V.A. es un material nuevo, el cual presenta las propiedades
necesarias para la elaboración de material didáctico, especialmente rompecabezas.
- Incremento de la demanda
Con respecto a este punto y tomando en cuenta los resultados obtenidos en las
encuestas se puede avizorar un incremento de la demanda. Un alto porcentaje de
las personas e instituciones encuestadas están interesadas en adquirir este
producto, debido a que cumple con los requerimientos que exige el cliente que en
este caso es el estudiante de educación básica.
36
- Situación futura
Considerando los datos anteriores, se puede esperar un futuro promisorio para la
fabricación, comercialización y posterior utilización de este tipo de productos.
En el Ecuador, el material didáctico elaborado con goma E.V.A. en un alto
porcentaje es importado, por tanto su precio es elevado para el mercado local, esto
hace más factible una producción competitiva a nivel nacional de alta calidad y
menor costo, que incurrirá en una mayor demanda del producto y por consiguiente
mayores ingresos.
37
CAPÍTULO IV
DISEÑO DE LA MATRIZ DE CORTE
4.1 DISEÑO DE PIEZAS TECNOLÓGICAS
4.1.1 DISEÑO DE PUNZONES
Se han de seleccionar las cuchillas para encuñar en la madera de acuerdo a la
experiencia de troqueles de diseño gráfico; la empresa de troqueles TROQUELART
encaminó la selección del material adecuado.
Los punzones a utilizar son cuchillas aguzadas capaces de cortar planchas de goma
E.V.A. de hasta 10mm de espesor. Para este fin se debe utilizar cuchillas de un
mínimo de 22 mm de ancho y de 0.7 mm de espesor, con esta cuchilla se logrará un
corte que se ajuste a los requerimientos del diseño y que garantice un acabado
excelente del material cortado con un desgaste mínimo de la herramienta que
asegure sin problemas 20000 estampados.
En el mercado nacional se encontró una cuchilla Simonds S-52 de ancho 23.80 mm
y un espesor de 0.71mm.
Las cuchillas se cortan y se conforman según la forma y dimensiones del modelo, en
este caso, las vocales mayúsculas y minúsculas y cinco figuras geométricas.
38
4.1.2 DISEÑO DE LA PLACA PORTA PUNZÓN
La placa portapunzón es la que sirve de sujeción de las cuchillas, la forma de sujetar
los punzones (cuchillas) es por acuñamiento dentro de esta placa.
El material adecuado para la placa es la madera, ya que con ésta se logra una
sujeción o acuñamiento de las cuchillas sin complicaciones de construcción ni de
trabajo, es eficiente, fácil de maquinar, cortar, esculpir y es económica.
En la placa de madera esta exactamente reproducido el modelo del rompecabezas
elegido, es decir, las vocales mayúsculas, minúsculas y las figuras geométricas
seleccionadas con su forma y dimensiones.
La placa de madera a utilizarse es de 12mm de espesor, el corte de los canales
pasantes en la placa se los realiza con caladora en la cual estará instalada una
herramienta de corte (sierra tipo hilo) de 0.5 mm de espesor, con lo que el ajuste
placa-cuchilla es el suficiente para obtener una sujeción perfecta y una alineación
que da como resultado un producto terminado de acuerdo a las necesidades
establecidas.
4.1.3 EXPULSORES
39
Fig 4.1 Expulsores La Fig. 4.1 indica las cuchillas, la madera, y los expulsores. Las gomas se colocan a ambos lados de la cuchilla de corte para evitar que el
material quede encajado entre ellas haciendo a modo de propulsión; Así, cuando la
troqueladora ejerce presión sobre las cuchillas del troquel estas se comprimirán
según su dureza y al dejar de ejercer dicha presión estas rechazaran el material
expulsándolo por encima de las cuchillas.
La calidad de las gomas y sobre todo su dureza medida en shores dependerá de su
situación dentro del troquel, pues generalmente las gomas que se coloquen en la
parte interior serán más blandas que las colocadas en la parte exterior, ya que si en
la exterior solo nos interesa la expulsión del material (mejor cuanto más dura sea la
goma) en el interior debe ser lo suficiente blanda como para que al realizar dicho
trabajo no marque el E.V.A. a troquelar.
Asimismo, su altura variará según la altura de la madera del troquel y el fleje,
teniendo en cuenta que por lo general dicha goma tendrá una altura superior en el
troquel a la del extremo del fleje de corte a fin de asegurar la correcta expulsión del
material troquelado.
4.1.4 DISEÑO DE LA PLACA SUFRIDERA
Expulsores de material troquelado
Madera
Cuchillass
40
Fig 4.2 Placa sufridera
La figura 4.2 indica la placa sufridera, ésta contiene madera y neolite que sirve para
que las cuchillas no se dañen al cortar el E.V.A.
En un troquel normalmente el trabajo conjugado punzón-sufridera es el que realiza el
corte, en este caso (matriz de corte con cuchillas aguzadas), no existe ese trabajo
conjugado, es por eso que la sufridera es únicamente una placa que sirve como
base o asiento del material a ser estampado, pero, la cubierta de la sufridera no
puede ser de un material duro, ya que esto dañaría el filo de las cuchillas, por esta
razón, se ha elegido como placa sufridera una placa de madera recubierta de
neolite.
4.2 DISEÑO DE PIEZAS DE CONSTRUCCIÓN
4.2.1 CÁLCULO DEL CENTRO DE PRESIONES
Neolite
Madera
41
O
Fig. 4.3 Fuerzas que actúan en el corte.
La figura 4.3 muestra las fuerzas que actúan el la placa superior de la matriz. 0=∑ XF
0=∑ YF
0=∑ zF
En el eje Z son las únicas fuerzas existentes, por lo tanto:
-P+F0+F6+PA+PE+PI+PO+PU+Pa+Pe+Pi+Po+Pu+Pcircunf.+
Pcuadr.+Ptrián.+Póvalo+Prectán = 0
P = F0+ F6++PA+PE+PI+PO+PU+Pa+Pe+Pi+Po+Pu+Pcircunf.+
Pcuadr.+Ptrián.+Póvalo+Prectán
42
Tabla 4.1 Valores de las presiones de corte
La tabla 4.1 indica el valor de cada una de las presiones de corte, en kilogramos.
Sustituyendo los valores de la tabla se tiene que:
P= 28336kg.
Por lo tanto se requiere una prensa hidráulica con una presión mínima de 30Ton.
CENTRO DE PRESIONES
El gráfico 4.4 indica las fuerzas que actúan en el eje Y, estas fuerzas generan
momentos respecto al eje X.
Fuerza Valor (kg)F0 y F6 fuerzas de las cuchilla de 200mm 1420F7 Y F11 fuerzas de las cuchilla de 300mm 2130Punzón A, P1 1704Punzón a, P2 1377Punzón E, P3 1917Punzón e, P4 1576Punzón I, P5 1349Punzón i, P6 866Punzón O, P7 1789Punzón o, P8 1228Punzón U, P9 1882Punzón u, P10 1257Punzón circunf., P11 1115Punzón rectáng., P12 1420Punzón triáng., P13 1363Punzón óvalo, P14 1115Punzón cuadrado., P15 1278
43
Fig. 4.4 Gráfico para el cálculo del momento en el eje X
El cálculo del momento se lo realiza con respecto al eje que pasa por las fuerzas
F6,F0.
0)0( =∑ xM
+F7*100-F1*100-(P9+P7+P5+P3+P1)*65-
-(P10+P8+P6+P4+P2)*17.5+P*Y+ (P15+P14+P13+P12+P11)*52.5= 0
0= -561665-110320+P*Y+330277.5
Y= 12,1mm
La Fig. 4.5 indican las fuerzas que actúan en el eje X, generan momentos respecto
Momento negativo -
44
al eje Y.
Fig. 4.5 Gráfico para el cálculo del momento en el eje Y
El cálculo del momento en el se lo realiza con respecto al eje O, es la línea de
acción de las fuerzas F11,P5,P6,P13,F7.
0)0( =∑ YM
0=-F0*150-(P9+P10+P15)*112-(P7+P8+P14)*56+ (P3+P4+P12)*56 -P*X +
(P1+P2+P11)*112+ F6*150
P*X = -494704-231392+275128+469952
X= 0,7mm.
4.2.2 DISEÑO DE LAS PLACAS SUPERIOR E INFERIOR
45
4.2.1.1 DISEÑO DE LA PLACA SUPERIOR
En el gráfico adjunto se observa 12 fuerzas y la fuerza P, se realiza el análisis en los
dos sentidos de la placa (X,Y) para calcular la deflexión máxima en cada eje, así se
justificará el espesor de la placa.
La Fig. 4.6 indica las fuerzas resultantes en cada uno de los ejes, sirve para el
cálculo de las deflexiones en cada eje.
Fig. 4.6 Gráfico de fuerzas resultante en cada eje
Cálculo en el eje X:
Se observa en el gráfico anterior que las fuerzas F3, F4, actúan en una misma línea
de acción, la presión total P actúa en esta línea de acción y entre estas dos fuerzas,
46
éstas serán consideradas como carga puntual, lo que implica una situación más
crítica que considerando una carga distribuida, entre estas dos fuerzas se ejercerá la
mayor presión y se realizará un cálculo de deflexión entre estas dos fuerzas ya que
será la situación más crítica, así se demuestra que la placa no fallará a la presión (P)
sometida, lo mismo se realizará en el eje y.
Los gráficos de la Fig. 4.7 indica la s fuerzas existentes en el eje X, estas sirven para
el cálculo de la deflexión en X.
a
Fig. 4.7 Gráficos para cálculos de la deflexión en el eje X
La relación que se tiene para calcular esta deflexión es:
47
lEI
bPaYmáx
3
22
=
Donde:
a 0,7 mmb 55,3mmI 56 mmE 21000 kg/mm²
Para el cálculo del momento de inercia de la sección considerada se la calculará con
la siguiente ecuación:
12
´ 3ebI = ; b’= 355mm
12
)35(*355 3mmmmI =
=I 1268385,4 4mm
4,1268385*/21000*56*3
)3,55(*)7,0(*3000042
22
mmmmkgmm
mmmmkgYmáx=
mmYmáx 00001,0=
La medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle se
denomina confiabilidad de ese elemento, la confiabilidad de un elemento viene dada
por la expresión:
48
999,01000
00001,01 =−=R
La confiabilidad tiene un intervalo 0 ≤ R<1
Por lo tanto:
999,056
00006,01 =−=R
Cumple con la condición de confiabilidad en el eje x.
Cálculo en el eje Y:
Al igual que en el eje X las fuerzas F8 ,F9 actúan en una misma línea de acción, la
presión total P actúa en esta línea de acción y entre estas dos fuerzas, éstas serán
consideradas como carga puntual, lo que implica una situación más crítica que
considerando una carga distribuida será la mas crítica.
49
dc
Fig. 4.8 Gráficos para cálculos de la deflexión en el eje Y
Los gráficos de la Fig. 4.8 son las fuerzas que actúan en el eje Y, sirven para el
cálculo de la deflexión en este eje.
La relación que se tiene para calcular esta deflexión es:
EIf
dPcYmáx
3
22
=
Donde:
c 17,5 mmd 52,5mmf 70 mmE 21000 kg/mm²
Para el cálculo del momento de inercia de la sección considerada se la calculará con
la siguiente ecuación:
12
3deI = ; d= 355mm
50
12
)35(*355 3mmmmI =
=I 1268385,4 4mm
42
22
4,1268385*/21000*70*3
)5,52(*)5,17(*30000
mmmmkgmm
mmmmkgYmáx=
mmYmáx 0045,0=
La medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle se
denomina confiabilidad de ese elemento, la confiabilidad de un elemento viene dada
por la expresión:
994,01000
61 =−=R
La confiabilidad tiene un intervalo 0 ≤ R<1
Por lo tanto:
999,070
0045,01 =−=R
Cumple con la condición de confiabilidad en el eje y.
Por lo tanto para este diseño:
Se ha demostrado que el espesor de la placa para este trabajo está dentro de los
límites admisibles de diseño, ya que es menor que uno.
51
La placa superior se construye con acero 1045, en ella estarán acoplados los bujes
del troquel, la placa portapunzón y la cola para el montaje en la prensa, las medidas
están descritas en los planos correspondientes.
4.2.1.2 DISEÑO DE LA PLACA INFERIOR
La Fig. 4.9 indica la presión total de la prensa y sirve para calcular la deflexión de la misma.
Fig. 4.9 Gráfico para el cálculo de la deflexión en la placa inferior
Ymáx será la deflexión máxima que se producirá por soportar la presión P en la
placa inferior, se considera como viga y se obtiene el siguiente modelo matemático:
máxYEI
PL =48
3
52
Se conoce que el momento de inercia es:
12
3ebI =
Para este diseño se tiene:
b = 355 mm, longitud de la placa inferior
e = 35 mm
l = 355 mm
12
35*355 3
=I
44,1268385 mmI =
Sustituyendo en la ecuación de máxY se obtiene:
42
33
4,1268385*21000*48
*355*30000
mmmm
kgmmkg
Ymáx =
=máxY 1,05 mm
Por lo tanto para este diseño:
997,0355
05,11 =−=
mm
mmR
53
Se ha demostrado que el espesor de la placa para este trabajo está dentro de los
límites admisibles de diseño, ya que es menor que uno.
La placa inferior se construye con acero 1045, en ella estarán acopladas las
columnas del troquel y la placa sufridera.
Lo más importante en la construcción de las placas superior e inferior del troquel es
mantener el paralelismo entre las caras opuestas da cada placa, pues de ello
depende que las cuchillas tengan una altura de corte constante en toda el área de
trabajo.
4.2.2 DISEÑO DE LAS COLUMNAS
La Fig. 4.10 indica una de las columnas del troquel.
Fig. 4.10 Gráfico de la columna
Las columnas se las diseñó de acuerdo a las necesidades de este troquel y
tomando como referencia el catálogo de la LEMPCO (DIE SET ENGINEERING
HANDBOOK and CATALOG), las medidas son de acuerdo a las necesidades
54
específicas y aproximándose a la que este catálogo sugiere tomando en cuenta que
se va a troquelar un material más suave que el acero.
La longitud de las columnas depende de la carrera necesaria para realizar el
troquelado aproximadamente 25 mm, de el espesor del material a ser cortado, de el
espesor de las placas superior e inferior y además en el trabajo jamás deben estar
fuera de los bocines que van en la placa superior.
El diámetro de las columnas depende del espesor de las placas superior e inferior.
Se debe garantizar un buen apriete y una perpendicularidad adecuada entre las
columnas y la placa inferior. La holgura de las columnas con los bocines es un punto
determinante en el buen funcionamiento del equipo, pues del trabajo conjugado
columna-bocín depende la exactitud en las medidas, un mejor acabado, la eficaz
expulsión del material y la vida útil de las cuchillas.
4.2.3 DISEÑO DE LOS BOCINES
La Fig. 4.11 indica uno del los bacines existentes en este diseño.
Fig. 4.11 Gráfico del bocín
Las medidas de los bocines son proporcionales a las de las columnas, es así que se
55
recomienda que la longitud de los bocines sea el doble del diámetro de las
columnas; de igual forma que las columnas, los bocines deben garantizar
perpendicularidad con la placa superior.
Al estar las columnas y los bocines trabajando de manera conjugada y en constante
rozamiento, estas partes son las más expuestas al desgaste, por lo que, en su
diseño se debe considerar ranuras que se utilizan para lubricación y las piezas
deben ser sometidas a temple y si es posible revenido. El material seleccionado para
la construcción de las columnas y los bocines es acero B 705.
Para el diseño de las columnas y los bocines, el catálogo de la LEMPCO fue de gran
utilidad.
4.2.4 PIEZAS DE SUJECIÓN
Se colocaron nueve tornillos avellanados M6X30 para la sujeción de la madera
portadora de las cuchillas que troquelarán el material a trabajarse, esto permitirá que
la madera quede completamente adherida a la placa superior asegurando que las
cuchillas estén en forma paralela a la placa inferior y así se logrará cortar todo el
perímetro que se necesita en este diseño.
56
CAPÍTULO V
ELABORACIÓN DE PLANOS
Ver anexo H
57
CAPÍTULO VI
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PRUEBAS
6.1 CONSTRUCCIÓN
A continuación se establecen los pasos básicos y necesarios para la construcción
del diseño propuesto.
- Determinar los elementos que se deben construir y cómo será el proceso de
fabricación.
- Determinar la materia prima existente en el mercado nacional para llevar a cabo la
construcción de los elementos mecánicos, cumpliendo con los requerimientos del
diseño establecidos.
- Establecer las máquinas y herramientas necesarias para conseguir el objetivo de
construcción.
- Definir equipos de verificación y medición.
58
- Definir las hojas de procesos.
6.1.2 REQUERIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN
1. Los elementos a construirse son:
Placa superior e inferior, columnas, bocines, placa porta punzones, punzones, placa
sufridera.
2. Materia prima:
2 Placas de acero 1045, 4 ejes de acero B705, placas de madera, cuchilla aguzada,
neolite, cemento de contacto, tornillos avellanados.
3. Máquinas y herramientas necesarias para la construcción:
Torno, rectificadora, taladro de pedestal, fresadora, prensa eléctrica, machuelos M6,
esmeril de banco, caladora eléctrica, cuchillas de corte HSS, brocas, piedra de
rectificación, sierra de hilo.
4. Instrumentos de medición y verificación:
Calibrador, flexómetro, reloj palpador, escuadra.
5. Hojas de procesos.
Para detallar los procedimientos de construcción de los elementos más
representativos de la matriz, se ha decidido presentar las siguientes hojas de
59
procesos.
- Hoja de procesos de la placa superior.
- Hoja de procesos de las columnas.
- Hoja de procesos de los bocines.
- Hoja de procesos de la placa porta punzón.
- Hoja de procesos de la placa sufridera.
60
61
62
63
64
65
66
6.2 MONTAJE
El montaje del troquel se lo realizó en la empresa ECUASURE Cia. Ltda., con los
elementos del troquel ya ensamblados se preparó la prensa desmontando los
elementos de sujeción de la cola (manzana de sujeción y tuercas) que son parte de
la prensa y bajándolos manualmente hasta alcanzar la altura de todos los elementos
del troquel se colocó la cola, se procedió a bajar la prensa hasta que contacte y
presione un poco la placa superior con la sufridera de neolite y se ajustó la manzana
prensa.
Posteriormente ya con la cola sujetada se reguló la carrera de la prensa
manualmente garantizando que las cuchillas del troquel no se indenten demasiado
en la sufridera de neolite, esto servirá para garantizar que la goma E.V.A. al
momento de troquelar sea cortada en su totalidad, todo este proceso tomó un día y
medio de regulación y optimización.
6.2 PRUEBAS
Luego de instalar adecuadamente el troquel en la prensa se realizaron algunas
pruebas, esto fue de mucha utilidad ya que se logró optimizar el corte propuesto.
Las pruebas se realizaron en el material E.V.A. de 2mm, 4mm, 6mm y 10mm
obteniendo cortes perfectos luego de algunos ajustes realizados al mecanismo.
Al colocar como sufridera goma E.V.A. de 10mm de espesor el mecanismo se volvió
improductivo ya que se tenía un espacio entre las cuchillas y la sufridera de 10mm
aproximadamente, esto dificultó la colocación del la goma de 10mm a ser cortada,
adicionalmente al troquelar existió partes que no se desprendían con facilidad.
67
Se determinó colocar un material como sufridera mas duro pero que no mutile las
cuchillas existentes en el troquel al momento de troquelar; se encontró en el
mercado nacional un material cauchoso denominado neolite, colocando el neolite de
7mm y regulando la carrera la distancia se incrementó aproximadamente al doble
(25mm) entre las cuchillas y la sufridera que en este caso es el neolite, esto
beneficia al proceso ya que facilita la colocación del material a ser troquelado y se
observó que el material se desprende con mucha facilidad ya que fue troquelado en
este caso al 100%.
68
CAPÍTULO VII
COSTOS
7.1 EXPLICACIÓN DE LAS TABLAS DE COSTOS
La tabla 7.1 indica el costo total de la mano de obra al construir el troquel de corte,
en esta tabla se cuantifica el total de horas de utilización de las máquinas y se
calcula el costo de una hora de trabajo para un operario que percibiría según la
Remuneración Básica Unificada.
La tabla 7.2 permite ver el costo de los materiales más importantes para este diseño,
como son: las placas superior e inferior, los bocines, las columnas, el neolite que
servirá para troquelar sin que se dañen las cuchillas de corte, tornillería y por último
la placa porta cuchillas.
La tabla 7.3 permite visualizar el costo total de maquinado; se describe el costo por
hora de cada máquina y se calcula el costo total ya que se tiene el numero de horas
que se utilizó cada máquina.
En la Tabla 7.4 se hace un cálculo por el costo del diseño de la matriz de corte, aquí
se coge un promedio del salario percibido por un ingeniero mecánico cuando recién
inicia su vida profesional, este es de $ 600 dólares por mes, con este dato se calcula
el costo del diseño en un tiempo de trabajo de 20 días.
Por último, la tabla 7.5 permite ver el cálculo total del costo del diseño y construcción
de la matriz de corte.
69
7.1.1 COSTOS MANO DE OBRA
Tabla 7.1 Costos de mano de obra
TORNO FRESADORA TALADRO RECTIFICADORA PARCIALTOTAL DOS PERSONAS
HORAS MÁQUINA 60 20 13 24 117 234
HORAS AJUSTE 10 5 3 10 28 56
HORAS MOVILIZACIÓN 44 88
TOTAL HORAS 378
La Remuneración Básica Unificada en el Ecuador en el 2008 es de $ 200 dólares americanos.Por lo tanto el costo por hora de por cada operario $ 0.83 centavos de dólar.
HORAS MAQUINADO COSTO HORA HOMBRE COSTO TOTAL
378 0,83 315,00
COTOS TOTAL DE MANO DE OBRA 315,00
70
7.1.2 COSTOS MATERIA PRIMA E INSUMOS
Tabla 7.2 Costos de materia prima e insumos
MATERIAL CANTIDADDIMENSIONES BRUTAS(mm)
PRECIO UNITARIO ($) TOTAL ($)
PLANCHAS DE ACERO 2 357X357 190,00 380,00
EJES DE ACERO BOCINES 2 60X50 27,00 54,00
EJES DE ACERO COLUMNAS 2 32X122 32,00 64,00
TROQUEL PORTA CUCHILLAS 1 200X300 45,00 45,00
NEOLITE 1 50X70X7 6,70 6,70
PERNOS AVELLANADOS 18 6X30 0,18 3,24SUBTOTAL 552,94I.V.A. 66,35
TOTAL MATERIA PRIMA E INSUMOS 619,29
71
7.1.3 COSTOS DE MAQUINADO
Tabla 7.3 Costos de maquinado
MÁQUINA
PRECIO POR HORA ($)
TORNO 1,50
FRESA 1,50
RECTIFIC. 2,00
TALADRO 0,80
PRENSA 1,50
HORAS MÁQUINA
DESCRIPCIÓN CANTIDAD TORNO FRESA PRENSA TALADRO RECTIFIC.
TOTAL HORAS POR ELEMENTO
PRECIO UNITARIO
PRECIO TOTAL / 2 ELEMENTOSPALCAS
SUPERIOR E INFERIOR 2 25 16 34 75 118,30 236,60
COLUMNAS 2 25 25 37,50 75,00
BOCINES 2 45 45 67,50 135,00TROQUELADOPRUEBAS 32 32 48,00 48,00
PRECIO TOTAL COSTO DE MAQUINADO 494,60
72
7.1.4 COSTOS DE DISEÑO
Para este cálculo se considera el costo de $ 600 dólares americanos por mes promedio
por cada diseñador, el diseño se han tardado en realizarlo un total de 20 días, por lo
que el costo del diseño del troquel es de $387,1 por cada diseñador, resultando un total
de $ 774,19 dólares americanos.
Tabla 7.4 Costos de diseño
RUBRONÚMERO DE DISEÑADORES
COSTO POR DISEÑADOR TOTAL DISEÑO ($)
DISEÑO 2 387,10 774,20
TOTAL DISEÑO 774,20
73
7.1.4 COSTOS TOTALES
Tabla 7.5 Costos totales
RUBRODólares americanos ($)
COTO TOTAL DE MANO DE OBRA 315,00
COSTO TOTAL MATERIA PRIMA E INSUMOS 619,29
COSTO TOTAL MAQUINADO 494,60
COSTO TOTAL DISEÑO 774,20
COSTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN MATRIZ DE CORTE 2203,09
74
CAPÍTULO VIII
8.1 CONCLUSIONES
Al realizar las pruebas se observa claramente que todo proceso es susceptible de
cambios para ser optimizado, leves ajustes en este diseño dieron por resultado
excelentes cortes, de esta manera se consiguió el objetivo que se propuso
inicialmente.
Para la construcción se utilizó materiales escogidos a base de las experiencias y
catálogos que indican parámetros y datos que conllevan a un perfecto
funcionamiento de la matriz diseñada.
El presupuesto del proyecto planteado ha ido variando en función del tiempo y de la
inestabilidad de la economía ecuatoriana que ha provocado elevaciones del precio
del acero y otros materiales utilizados en este diseño.
El maquinado de los elementos críticos se los debe realizar con maquinaria que
garanticen las holguras, medidas y criterios definidos en esta tesis, de no ser así se
puede echar a perder elementos ya construidos por un incorrecto acople o un mal
funcionamiento.
El tratamiento térmico principal (temple), debe avalizar la dureza suficiente de las
columnas y los bocines de manera que la vida útil se extienda.
A través de este proyecto se ha logrado demostrar que en el Ecuador existe una
gran capacidad de desarrollar elementos mecánicos y máquinas que cumplan con
trabajos exigentes capaces de suplir importaciones y generando trabajo en el país.
75
El presente trabajo va dirigido a los estudiantes de primeros años de educación
básica, ya que con el producto final se facilitará la labor diaria de enseñanza del
maestro y el aprendizaje del alumno de una manera dinámica.
La placa superior de este diseño se la hizo de tal manera que se pueda acoplar
cualquier matriz de corte por esto se vuelve una herramienta polifuncional, siendo
una ventaja económica a futuro ya que no se limitará la fabricación de productos de
un solo modelo.
8.2 RECOMENDACIONES
La selección de la maquinaría es muy importante, por lo que se recomienda que el
estado de las máquinas a utilizarse sea el adecuado, de manera que se cumpla con
los requisitos del diseño.
No se debe regular la carrera de la prensa cuando esta conectada ya que se puede
ocasionar un accidente o dañar los elementos del troquel, ésta debería permanecer
desconectada mientras se regula manualmente, así se garantiza seguridad en el
procedimiento de montaje.
Este troquel deberá ser lubricado cada cierto tiempo para evitar el desgaste y la
oxidación en los bocines y columnas.
Este diseño se lo realizó con el objetivo de cortar E.V.A. de hasta 10mm de espesor,
por lo que se recomienda no troquelar material con un espesor mayor a éste para no
dañar los componentes del troquel de corte (cuchillas y expulsores) y alargar la vida
útil de la máquina.
76
BIBLIOGRAFÍA
Barreto, S., DISEÑO DE CALZADO URBANO, España, Editorial Nobuko,1990.
Baumeister, Theodore, MANUAL DEL INGENIERO MECÁNICO, México D.F.,
Editorial McGraw-Hill, 9na edición, 1995.
Escuela Politécnica Nacional. NORMAS PARA LA PRESENTACIÓN DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN, Ecuador, 2000.
Flinn, R. y Trojan P., MATERIALES DE INGENIERÍA Y SUS APLICACIONES,
Colombia, Editorial Bogotá, 1ra edición, 1979.
Hidalgo, M., MATERIALES EDUCATIVOS, Perú, Editorial Inadep., 2002.
Hansjürgen, S., LOS PLÁSTICOS EN LA CONSTRUCCIÓN, España, Editorial
Gustavo Gili, 1978.
Holowenco,A.R., DISEÑO DE MÁQUINAS, México D.F., Editorial McGraw-Hill, 2da
edición, 1988.
LEMPCO Industries Inc. Die Set Engineering Handbook. Cleveland. 1978.
Rossi, M., ESTAMPADO EN FRÍO DE LA CHAPA, España, Editorial Científico-
Médica, 8va Edición, 1966.
Shigley, J., Mischke, C., DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA, México D.F.,
Editorial McGraw-Hill, 5ta edición, 1990.
Vargas, J., APUNTES DE MATRICERÍA, Ecuador, Escuela Politécnica Nacional,
1984.
Vargas, J., GUÍA DE LOS FUNDAMENTOS DEL DIBUJO INDUSTRIAL, Ecuador,
Escuela Politécnica Nacional, 1999.
77
ANEXOS
78
Anexo A: DIE SET ENGINEERING HANDBOOK and CATALOG
LEMPCO (TABLAS UTILIZADAS)
79
80
81
82
83
84
85
Anexo B: TABLAS DE AJUSTES Y DESVIACIONES
86
[Vargas, J. D-55]
87
[Vargas, J. D-56]
88
[Vargas, J. D-57]
89
[Vargas, J. D-58]
90
Anexo C: VALORES NÚMERICOS DE LAS TOLERANCIAS
FUNDAMENTALES
91
[Vargas, J. D-59]
92
Anexo D: TOLERANCIAS GEOMÉTRICAS DE FORMA Y POSICIÓN
93
[Vargas, J. D-60]
94
Anexo E: AJUSTES RECOMENDADOS
95
[Vargas, J. D-60]
96
Anexo F: MANUAL DE ACEROS PARA TRABAJO EN FRÍO
97
98
99
100
101
102
103
104
105
Anexo G: FACTURAS
106
107
108
109
Anexo H: PLANOS DE CONJUNTO Y TALLER
110
Anexo I: FOTOS DEL PROYECTO
111
FOTOS CONSTRUCCIÓN DE LA MATRIZ DE CORTE
FOTO 1. MAQUINADO DE EJES
FOTO 2. MAQUINADO DE BOCINES
112
FOTOS MONTAJE DE LA MATRIZ
FOTO 3. MONTAJE DE LA MATRIZ EN LA PRENSA
FOTO 4. MATRIZ MONTADA EN LA PRENSA ELÉCTRICA
113
FOTOS DE PRUEBAS
FOTO 5. PRUEBA DE CORTE EN LA PRENSA ELÉCTRICA
FOTO 6. MUESTRA DE PRODUCTO TROQUELADO
114
PRESENTACIÓN DEL PROYECTO
FOTO 7. CONJUNTO MATRIZ
.
FOTO 8. PRESENTACIÓN MATRIZ – MATERIAL TROQUELADO
