CAD, CAM and CAE, =
of a
machine for corrugated and cut galvanized sheet thickness 2.8mm =
Miguel Angel
Heredia Moreno. [1],
Miguel Angel Escobar Guachambala. [2],<=
/span> Edwin Rodolfo Pozo Sa=
fla. <=
/span>[3] <=
/span>& Edison
Patricio Abarca PĂ©rez. [4]
Recibido: 06-04-2021 / Revisado: 14-04-2021 /Aceptado: 07-05-2021/
Publicado: 05-06-2021
Keywords:
CAD, CAM, CAE,
Sheet metal, Forming, Corrugated, Simulation.
Resumen.
IntroducciĂłn.
En el mercado nacional actual no existe una maquina capaz de perfilar o
corrugar chapas metálicas con espesores de 2,8mm, por tal motivo, se torna
imperativo recurrir al diseño de la misma basándose en caracterĂsticas de
equipos similares. Estas planchas corrugadas son de gran utilidad, ya que
servirán para la construcción de silos para el almacenamiento de granos.<=
b>
Objetivo. Diseñar, validar y manufacturar una máquina asistida por
computadora para corrugado y corte de chapa galvanizada de espesor 2,8mm. <=
b>MetodologĂa.
Este estudio se efectuĂł utilizando una metodologĂa aplicada, la misma que
inicia, determinando el mejor proceso de manufactura para el corrugado de la
chapa metálica, luego se diseña mediante software CAD cada elemento de la
máquina, seguido de esto, se validan los componentes y la simulación del
funcionamiento del equipo por medio de la herramienta computacional CAE, pa=
ra terminar,
se simula el proceso de manufactura de las partes y piezas, haciendo uso de=
la
herramienta computacional CAM. Resultados. Como resultado se obtiene=
el
diseño y ensamble final de todos los componentes de la rol formadora, tamb=
ién, al
momento de realizar la simulación de la deformación plástica de la planc=
ha a
través de los rodillos se consigue valores de esfuerzos equivalentes máxi=
mos de
Von Mises que varĂan entre 131,90 y 394,05 Mpa, de igual manera se determi=
nan
los tiempos de fabricaciĂłn de los elementos de la misma. Conclusiones. =
Se
concluye que, por medio de las herramientas computacionales, CAD, CAM y CAE=
, se
puede lograr un diseño integral y efectivo para la optimización de recurs=
os.
Palabras claves:
CAD, CAM, CAE, Chapa metálica, Conformación, Corrugado, Simulación.
IntroducciĂłn.
Se puede confo=
rmar
un metal aplicando diversos métodos y maquinas, este proceso generalmente =
se lo
realiza en chapas metálicas de espesores que varĂan entre 0,5 y 1mm. De aquĂ surge la necesidad de innovar =
y de
diseñar una máquina que permita obtener planchas galvanizadas corrugadas =
de
2,8mm de espesor, las mismas que serán utilizadas =
en la
construcciĂłn de silos para almacenamiento de granos. En el paĂs no se ha
llevado a cabo el diseño de este tipo de maquinaria. Para la creación de =
este
equipo, se consideran conceptos fĂsicos y de diseño, de esta manera se pu=
ede
determinar, la magnitud de la fuerza necesaria, para que la plancha del esp=
esor
mencionado se deforme plásticamente, y se pueda cizallar. En los cálculos
desarrollados se indican factores de seguridad que son validados, garantiza=
ndo
asà la calidad y vida útil de la máquina. El modelo obtenido de la maqui=
na se
valida mediante software CAD, CAM, CAE. En la actualidad mund=
ial,
las diversas necesidades del consumidor deben responderse rápidamente y ac=
ortar
el ciclo desde la etapa de planificaciĂłn del producto, hasta la etapa de d=
iseño
y fabricación. Uno de los métodos actualmente sugeridos para acortar el c=
iclo
de estos procedimientos es la ingenierĂa concurrente, que implica el diseĂ=
±o y
la fabricaciĂłn en paralelo.
En
Latinoamérica la integración CAD, CAM, CAE ha sido de significativa
importancia, con el fin de optimizar recursos. Este proceso también ha oto=
rgado
grandes ventajas con las que anteriormente no se contaba como: realizar ani=
maciones,
que facilitan la detecciĂłn de colisiones en los sistemas o interferencias =
entre
sus diversos componentes; simulaciones de mecanizado, que permiten estimar
tiempos de producción; facilitar un análisis ingenieril de esfuerzos y
deformaciones por método de elementos finitos; asà como la realización de
planos de fabricaciĂłn desde diversas proyecciones de la pieza sin la neces=
idad
de realizar esta laboriosa tarea de forma manual simplificando en gran medi=
da
este número de pasos, otorgando una visión más amplia en el procedimient=
o del
desarrollo y posibles correcciones del producto.
En
el Ecuador, se recurre al uso de herramientas computacionales, debido a sus
grandes ventajas que ayudan a que el proceso de diseño sea más eficiente =
y se
optimice recursos en el desarrollo de nuevos productos, con la finalidad de=
que
el diseñador genere mayor precisión en la producción eliminando los erro=
res del
operador, generando una reducciĂłn de costos de fabricaciĂłn y desarrollo, =
asĂ
como también la prolongación de la vida útil de las herramientas de cort=
e, que
regularmente se acorta debido a un mal manejo.
Deformación y deformación plástica
Es
el cambio de la forma o tamaño natural que sufre un cuerpo tras la aplicac=
iĂłn
de fuerzas, ya sean a tensiĂłn o compresiĂłn, la deformaciĂłn unitaria es
adimensional y se da por el cociente entre, la deformaciĂłn total y la long=
itud
en la que se ha producido.
Durante
la deformación plástica los átomos del metal se desplazan desde su posic=
iĂłn
original hasta otras diferentes, la propiedad que poseen algunos metales de=
ser
deformados sin fracturarse es una de las más importantes en ingenierĂa, p=
or
ejemplo el acero gracias a la gran deformación plástica que posee, se pue=
de
manufacturar geometrĂas complejas, sin que el metal se fracture.
=
Proceso de perfilado por rodillos
Es
un proceso continuo, utilizado para doblar largas secciones de chapas, por =
este
método se pueden fabricar canaletas, perfiles de puertas y ventanas, tubos=
con
costura.
Proceso de cizalladura
Para
lograr el corte de la plancha de acero galvanizado, se debe cumplir con cua=
tro
etapas de cizallamiento, la primera donde inicia el corte y el material se
comporta elásticamente, la segunda donde comienza la deformación plástic=
a del
material al superar el lĂmite elástico, la tercera alcanza el lĂmite de =
ruptura
y la Ăşltima donde finalmente las cuchillas superior e inferior cortan
completamente al material.
=
=
Metodologia.
Este
estudio se desarrollĂł de acuerdo a la metodologĂa de investigaciĂłn aplic=
ada, el
objetivo principal que persigue esta investigaciĂłn es la de predecir un
comportamiento especĂfico en una situaciĂłn definida. En la tabla 1, se detalla cada etapa de
diseño de la máquina para corrugado y corte de chapa metálica de 2,8 mm =
de
espesor.
Tabla
1. MetodologĂa
de la investigaciĂłn
Fuente:
Heredia,
M. 2020.
=
DeterminaciĂłn=
del
mejor =
proceso de manufactura para el corrugado de la chapa=
metálica=
.
A
continuación, se detalla los parámetros generales más relevantes, de los
procesos existentes para conformar perfiles, mediante los cuales se determi=
na
el proceso, que mejor se ajusta a las demandas que requiere el presente
estudio. De acuerdo a la valoraciĂłn establecida en la tabla 2, se seleccio=
na el
proceso de conformado por rodillos, porque se puede conformar en frio, con
complejidad de perfil regular, para grandes y pequeñas extensiones de perf=
il, a
diferencia del conformado por plegado o doblado que tiene validez, para
conformados de perfiles sencillos y de limitadas extensiones, mientras que =
el
conformado por extrusiĂłn, es adecuado para conformar perfiles relativamente
complejos, como por ejemplo el perfil tipo omega (Ω).
Tabla 2. Consideraciones p=
ara la
determinaciĂłn del mejor proceso de corrugado
Fuente: Heredia, M. 2020.=
=
=
Diseño
del perfil.
Una
vez que se ha determinado el mejor proceso para el conformado de la lámina
metálica, se continua con el diseño del perfil propuesto, por lo que, se =
inicia
considerando las caracterĂsticas del perfil, que se indican en la tabla 3.=
Tomando
como dimensiones referenciales, las que se muestran en la tabla 3, se
digitaliza el perfil como se indica en la figura 1, haciendo uso del softwa=
re
SolidWorks.
=
Tabla 3. CaracterĂsticas =
del
perfil a conformarse
Fuente: Heredia, M. 2020.=
Figura 1. Dimensiones del perfil
Fuente: Heredia, M. 2020.
Cálculo=
del
nĂşmero de pasos de la maquina, para la secuencia=
del
corrugado.
El
concepto referente al cálculo del número de pasos, menciona que, para alc=
anzar
resultados óptimos de doblado, los diseñadores se basan en la experiencia
adquirida, asà como también no existe un método eficiente para este cál=
culo. Por
lo tanto, este cálculo se realizĂł aplicando el mĂ©todo de la formula empĂ=
rica. En
base a los datos que se indica en la Figura 1, reemplazando valores en la
ecuaciĂłn y resolviendo se tiene:
Aproximadamente
este método dio como resultado un número de 10 pasos para conseguir el pl=
egado
deseado, pero considerando la recomendaciĂłn dada por el libro Roll Forming
Handbook, se diseñó la maquina con un número de 8 pasos, pues señala qu=
e el
valor calculado puede disminuir garantizando la calidad de los materiales d=
el
mismo y aumentando la robustez del equipo.
Fuerzas=
de doblado=
Considerando
que el esfuerzo Ăşltimo del acero galvanizado es de 310,26 MPa y que se va a
calcular la fuerza de doblez ejercida por el rodillo superior, sobre la pla=
ncha
limitada por dos rodillos inferiores cuya distancia es de 68 mm se tiene:
=
Calculo
de la fuerza de corte de la guillotina
Para
lograr el corte de la plancha de acero galvanizado, se debe cumplir con cua=
tro
etapas de cizallamiento, la primera donde inicia el corte y el material se
comporta elásticamente, la segunda donde comienza la deformación plástic=
a del
material al superar el lĂmite elástico, la tercera alcanza el lĂmite de =
ruptura
y la Ăşltima donde finalmente las cuchillas superior e inferior cortan
completamente al material. La fuerza de corte se calculĂł mediante la fĂłrm=
ula,
de Quiercy. Según el Manual del constructor de máquinas, el ángulo
Resultados=
.
|
Eje porta rodillos superiores |
Eje
porta rodillos
inferiores |
|
Rodillo superior |
Rodillo Inferior |
|
Estructura soporte de los actuadores |
PistĂłn |
|
Porta cuchilla |
Cuchilla superior mĂłvil |
|
Cuchilla inferior fija |
Estructura base de la rol formadora=
|
Figura 2. Componentes principales de=
la
Rol formadora
Fuente:
Heredia, M. 2020.
|
Rodillo
central P=
lancha
galvanizada Salida
y corte de la plancha Movimiento =
de
entrada |
Figura
3. Ensamble de la maquina
Fuente:
Heredia, M. 2020.
En la Figura 4, se puede
observar la plancha, previo al análisis, con dimensiones de 1220 x 2440 mm,
espesor igual a 2,8 mm, esfuerzo de fluencia =3D 250 MPa y esfuerzo ultimo =
=3D310
MPa.
Figura
4. Dimensiones de la plancha
Fuente:
Heredia, M. 2020.
Debido a la capacidad ex=
cesiva,
de recursos computacionales necesarios para la simulaciĂłn de la deformaciĂ=
łn de
la plancha completa, se analizĂł el modelo simplificado mostrado en la Figu=
ra 5.
Figura
5. Modelo simplificado
Fuente:
Heredia, M. 2020.
A través del software ANSYS, mó=
dulo
“static structural”, se ratifica que el proceso de deformación de la l=
ámina, se
cumple al evaluar el esfuerzo de fluencia del material con respecto al obte=
nido
en el software, para ello se realizaron simulaciones consecutivas de las
diferentes etapas de deformaciĂłn, verificando que estas sean permanentes e=
n la
plancha. El esfuerzo equivalente de Von Mises
obtenido en el software en cada etapa se indica en la Figura 6, este es cer=
cano
al esfuerzo de fluencia del material, sin llegar al esfuerzo Ăşltimo (310Mp=
a),
caso contrario denota una rotura de la plancha.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Figura
6. Etapas de modelado
Fuente:
Heredia, M. 2020.
Como
se observa en la Tabla 4, los valores obtenidos son menores que el valor del
esfuerzo Ăşltimo del material, lo que indica que la plancha de acero no suf=
re
rotura y se deforma la hondura requerida en cada paso, a partir de la quinta
etapa se consiguen valores de deformaciĂłn permanentes al romper el lĂmite=
de
fluencia, además se observan valores mayores al esfuerzo último del mater=
ial,
estos no son significativos de acuerdo a la gráfica de colores, ya que se
encuentran localizados en sectores pequeños de la plancha.
Tabla 4. Análisis del esfuerzo
equivalente máximo de Von Mises en cada etapa
Fuente:
Heredia, M. 2020.
Luego
de realizar las ocho pasadas por los rodillos, se obtiene la plancha corrug=
ada
que se indica en la Figura 7a, con una profundidad de 15.2mm y altura igual=
a
18mm, el detalle del perfil se observa en la Figura 7b.
|
   Â=
                                a)=
|
b) |
Figura =
7. Plancha Manufacturada
Fuente: =
Heredia,
M. 2020.=
ValidaciĂłn de la placa porta cuchilla
Se
analizó la placa porta cuchilla realizando primero un análisis de converg=
encia
del mallado, el cual tiene por misiĂłn avalar la calidad de malla y a travĂ=
©s de
esto garantizar que los resultados sean los correctos (ver Figura 8).
Figura 8.  Análisis de mallado=
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
Una
vez obtenido el tamaño correcto de los elementos en la malla, se analizó =
el
factor de seguridad obteniéndose los resultados que se indican en la Figur=
a 9,10
y 11, donde se concluyĂł que es aceptable.
Figura 9. Factor de seguridad – análisis estático.
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
Figura 10. Factor de seguridad – análisis dinámico.
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
Figura =
11. DeformaciĂłn
Fuente: Heredia, M. 2020<=
/span>
ValidaciĂłn de la estructura base
El
comportamiento de la estructura base se analiza de igual forma, realizando
primero un análisis del tamaño de malla y de convergencia. El análisis de
convergencia, muestra que el tamaño correcto para el análisis de la estru=
ctura
es de 20 a 30 mm, donde se obtienen los resultados que se indican en el gra=
fico
siguiente:
Gráfico 1. Convergencia de la curva respectivamenteÂ
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
Figura 12.: Factor de seguri=
dad
– análisis estático
Fuente: Heredia, M. 2020
<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc71195921'>Figura 13. DeformaciĂłn
Fuente: Heredia, M. 2020
Figura 14<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;font-family:"Arial",sans-serif;mso=
-fareast-font-family:
Calibri;mso-ansi-language:ES-TRAD;mso-fareast-language:EN-US;mso-bidi-font-=
weight:
bold'>. Esfuerzo máximo
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
SimulaciĂłn del proceso de manufactura de los
elementos de la maquina mediante la herramienta computacional CAM.
De acuerdo con=
los
resultados obtenidos y validados anteriormente, se propone manufacturar cada
componente de la rol formadora, mediante el uso de la herramienta computaci=
onal
CAM (software siemens Nx). Este software nos permite configurar los cĂłdigo=
s de
coordenadas, que cada elemento requiere para su fabricaciĂłn y en base a es=
to
simular y corregir el proceso. Como paso final se envĂa esta informaciĂłn =
a un
torno CNC, que es el encargado de llevar a la realidad los elementos median=
te
mecanizado. En las siguientes figuras, se resume la manufactura de los
componentes de la máquina.
|
SimulaciĂłn de manufactura de la caja de
rodamientos. |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura de la caja=
de
rodamientos inferior |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura de la cuchilla sup=
erior |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura de la cuchilla inf=
erior |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura del eje inferior |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura del eje superior |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura del rodillo=
|
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
|
SimulaciĂłn de manufactura del rodillo inferior. |
|
|
a) Etapa inicial |
b) Modelo terminado |
Figura 15. SimulaciĂłn de Manufactura
Fuente:=
Heredia=
, M.
2020
Conclusiones.
· =
Se determino la fuerza necesaria cuya magnitud es (19,691=
.168
N), con la cual sufre deformación plástica la chapa metálica de 2.8mm de
espesor.
· =
Se estableciĂł que la fuerza necesaria para el corte de la
chapa metálica de espesor 2.8 mm es de (16,712.193 N).
·&n=
bsp;
Se realizo el modelado mediante software CAD, diseño y
selecciĂłn de materiales de la rol formadora.
· =
Mediante software CAM se determinĂł los tiempos y proceso=
s de
manufactura necesarios para la fabricaciĂłn de la maquina tanto como de
corrugado como de corte.
· =
Se valido el diseño de los elementos de la maquina hacie=
ndo
uso del software MEF asà como también sus respectivas simulaciones de
funcionamiento.
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tas.
Obtenido de
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Zavala, R. (2016). Simulación computacional de un esquema de supervisión y control predictivo para la reducción de picos de corriente de instalaciones eléctricas de baja tens= ión. México.
PARA CITAR EL ARTĂŤCULO INDEXADO.
Heredia
Moreno, M. A., Escobar Guachambala, M. A., Pozo=
Safla, E. R., & Abarca PĂ©rez, E. P. (2021). CAD,=
CAM y
CAE, de una máquina para corrugado y corte de chapa galvanizada de espesor
2,8mm. ConcienciaDigital, 4(2.2), 70-87. https://doi=
.org/10.33262/concienciadigital.v4i2.2.1742
El artĂculo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta Conciencia
Digital.
El
artĂculo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicaciĂłn pa=
rcial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Conciencia Digital.
[1] Constructora Alpha
Builders, Departamento de IngenierĂa. Quito, Ecuador, mheredia1381@gmail.c=
om, https://orcid.org/0000-0002-6506-3227
[2] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facu=
ltad
de Mecánica. Riobamba, Ecuador. maescobar@espoch.edu.ec, https://orcid.org=
/0000-0002-9683-1479
[3] Escuela Superior PolitĂ©cnica de Chimborazo, Facul= tad de Mecánica, Carrera de IngenierĂa Automotriz, Grupo de InvestigaciĂłn GI= EBI. Riobamba, Ecuador. edwin.pozo@espoch.edu.ec, https://orcid.org/0000-0002-8931-3577
[4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facul= tad de Mecánica. Riobamba, Ecuador. edison.abarca@espoch.edu.ec, https://orcid= .org/0000-0001-7041-4805.