INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEXI DE RODRÍGUEZ

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR

DE TEPEXI DE RODRÍGUEZ

Código Reporte : 490

Academia De Ingeniería Mecánica

Asignatura Mecánica De Fluidos

Docente Ing. Rene Miranda

Tepexi de Rodríguez, Puebla. 25 de Septiembre de 2012

REINGENIERIA Y CONSTRUCCION DE PRENSA HIDRAULICA

TIPO “C” DE CAPACIDAD DE 1.47e6 N (150 Ton)

Ing. Rene Miranda Simón – Docente y Asesor

ITSTR – www.itstepexi.edu.mx

Academia de Ingeniería Mecánica

Proyecto #1 del 5° Semestre de la Carrera

Tepexi de Rodríguez, Puebla – MEXICO

[email protected] , [email protected]

RESUMEN

SANLUIS© Rassini requería de una prensa de 1.47e6 N, con la finalidad de optimizar el proceso

de manufactura de perforación de muelles tipo automotriz. Dado que en el mercado no se

encontró alguna prensa que satisficiera con los requerimientos del proceso, se decidió diseñar y

construir la prensa para este propósito. En el presente trabajo se muestran las diferentes etapas

que se llevaron acabo en el proceso de diseño y manufactura de la prensa, en donde la

computadora juega un papel importante, ya que se utilizó software para dibujo (CAD), para

representar principalmente las dimensiones, ajustes y tolerancias, software para la fabricación de

partes de la prensa que requerían maquinado con precisión de control numérico (CAM), para el

análisis estructural, diseño mecánico de elementos se utilizaron otros programas (CAE) y paquete

para la gestión del proyecto (Managament Project). En la fabricación de la prensa, se empleo

tecnología e infraestructuras propias, así como, materiales de alta calidad nacionales logrando un

bajo costo de fabricación. Finalmente la prensa permitió beneficiar el proceso de manufactura en

un muy importante incremento.

PALABRAS CLAVE: Prensa, Hidráulica, MEF, Manufactura, Reingeniería.

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Academia de Ingeniería Mecánica I T S T R, Septiembre-2012

Código Reporte: 490

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INTRODUCCIÓN

La prensa es hoy en día la máquina mas solicitada para transformar mecánicamente la materia prima con precisión,

su desarrollo tecnológico va a la par de los más avanzados procesos de manufactura. El presente trabajo muestra el

proceso de reingeniería que se utilizó para la fabricación de una prensa hidráulica de 1.47E6 N que se utiliza para la

fabricación de muelles del tipo automotriz por parte de la empresa SANLUIS©

Rassini. Este trabajo se dividió en

cuatro partes que son: El diseño Mecánico, el Estructural, el Hidráulico y el Eléctrico, además de apoyarse de un

paquete en la Administración de Proyectos para su manufactura.

ANTECEDENTES

El proceso de manufactura a la cual nos referimos, presentaba la problemática de realizar el trabajo de perforado en

una operación en caliente en donde se tenia que exponer las piezas al interior de un horno de calentamiento por un

tiempo mínimo de 15 minutos y a una temperatura promedio de 500°C. Esto para lograr realizar las tres

perforaciones del componente en un solo paso ya que la dureza inicial del material era de 35HRC con espesores de

hasta 15.0 mm y un diámetro de perforación de 9.5 a 14.5 mm. Además para realizar esta operación se requería de 4

operadores que realizan las siguientes funciones: 1) cargar el horno, 2) descargar el horno, 3) perforar en prensa y 4)

relevo de los tres anteriores por las condiciones ambientales y dificultad de operación que se tenía (ver fig. 1 izq. y

der.).

Fig. 1.: Izq.- Fotografía del proceso; Der.- Dibujo de Ensamble de Muelle Automotriz

FACTIBILIDAD

Una vez definido el problema, se procedió a buscar una prensa en el mercado que cubriera las necesidades del

proceso y adquirirla, sin embargo se tuvieron varios problemas: El primero fue de que no se encontró existencia de

una máquina con tales características; segundo el costo de las máquinas resultó ser excesivo ya que se incluían

accesorios adicionales que no se requieren y el último fue que las empresas podían fabricar la prensa pero a un costo

muy alto y un tiempo de entrega relativamente grande, por lo que se decidió fabricarla considerando que se tenía la

técnica para hacerlo, así como las existencia de los materiales a nivel nacional y no considerar la exportación.

Por lo anterior se procedió a efectuar el diseño, en el cual se utilizaron herramientas de Diseño Asistido por

Computadora (CAD), además de la normatividad correspondiente, la cual incluía los dibujos, el dimensionado,

ajustes, etc.

Por otro lado se trabajó con los programas para la fabricar algunas piezas con máquinas de control numérico en la

Manufactura Asistida por Computadora (CAM). También se tiene realizó el cálculo estructural a través del Método

de los Elementos Finitos por la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE) y se utilizó un paquete específico para la

Administración de Proyectos, el cual consideró el aspecto financiero para la fabricación de la prensa. También se

generó un cuestionario que consideró los principales características y especificaciones de la prensa (ver tabla 1) a

partir de la cual se realizó el diseño de los componentes.



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Tab. 1: Característica y especificaciones de los elementos de la prensa. Tabla de Especificaciones y Mejoras Vs. Otras Prensas Hidráulicas

Nombre Cliente : Rassini Autopartes SA de CVFecha : Abril 10, 2006

Especificaciones Tecnicas Generales

Toneladas de Capacidad 120 Ton 150 Ton 25%

Carrera de Carro Troquel 8 pulg. 8 pulg.

Claro libre entre Platinas 5 pulg. 5 pulg.

Altura de la Prensa 92 pulg. 110 pulg. 20%

Ancho de la Prensa 26 pulg. 31 pulg. 19%

Profundidad de la Prensa 50 pulg. 70 pulg. 40%

Peso de la Prensa Ensamblada 6 Ton 9,5 Ton 58%

Especificaciones Operacionales

Tipo Proceso Manufactura 1000%

Velocidad Avance Carro Troquel 1,85 pulg./seg. 3 pulg./seg. 62%

Velocidad Regreso Carro Troquel 2,7 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 63%

Presión Punto:Alto Caudal-Baja Presión 600 lb./pulg2 2500 lb./pulg2

Presión Punto:Bajo Caudal-Alta Presión 500 lb./pulg2 2150 lb./pulg2

Potencia Hidráulica 22,9 Kw. 30,5 Kw. 33%

Capacidad Tanque Aceite 600 lts. 850 lts. 42%

Diseño Estructural

Espesor de placa del Bastidor 2,5 pulg. 4 pulg. 60%

Material de fabricación Bastidor

Soportes Alto Impacto No Si

Peso de Conjunto Bastidor 4 Ton 6,5 Ton 63%

Tipo de Soldabilidad 75%

Placa Base Cilindro 3 pulg. 4 pulg. 33%

Diseño Mecánico

Platina Inferior 4x24x26 pulg. 4x27.5x31 pulg. 37%

Platina Superior 2x10x16 pulg. 4x13x20 pulg. 125%

Carro Troquel 11x12x12 pulg. 12x12x19 pulg. 72%

Guía Carro Troquel 3.7x12x12 pulg. 3.7x12x12 pulg.

Brida de enlace Carro Troquel 3.5x7x8 pulg. 5x10x12 pulg. 106%

Extensión de Vástago 5.5 x 16 pulg. 8 x 25 pulg. 127%

Control Carrera Cilindro Superior No Si 100%

Control Carrera Cilindro Inferior No Si 100%

Diseño Hidráulico

Potencia Hidráulica 31,1 Hp 41,3 Hp 33%

Caudal de Bomba Hidráulica 74 GPM 118 GPM 59%

Velocidad de Avance 1,85 pulg./seg. 3 pulg./seg. 62%

Velocidad de Retorno 2,7 pulg./seg. 4,4 pulg./seg. 63%

Cilindro Hidráulico 14x8x8 pulg. 14x8x8 pulg.

Presión Mínima 500 lb./pulg2 500 lb./pulg2

Presión Máxima 2500 lb./pulg2 2500 lb./pulg2

Enfriamiento Unidad Hidráulica 100%

Diseño de Control Eléctrico

Componentes Tablero Eléctrico Varios 100%

Componentes Estación de Operador No Si 100%

Potencia Motor Eléctrico 30 Hp 40 Hp 33%

Manufactura, Ensamble e Instalación

Diseño con Facilidad de Manufactura No Si 100%

Diseño con Facilidad de Ensamble No Si 100%

Diseño con Facilidad de Mantenimiento No Si 100%

% de

MejoraOtros Fabricantes Nosotros

ASTM A-36

Perforado 11 Procesos más

Capacidades

ASTM A-36

Descripción

Eq. Original Siemens

Fluxes Agua Air Oil Cooler

Alta Espec. AWSBaja

APLICACION

La aplicación será para la perforación de muelles de uso automotriz que fabrica Rassini Planta Xalostoc y que

agilizará el proceso de manufactura. Sin embargo la máquina puede aprovecharse para otros fines en la industria

metal mecánica como son:

Tab. 2: Operaciones que se pueden realizar con la prensa.

Aplicaciones

Formado

Doblado

Perforado

Troquelado

Forjado

Despunte

Avellanado

Estampado

Extracción

Calibrado

Corte

Remachado

Prensado

Destaje

Marcado

Ensamble

Etc.

Muchas empresas de la industria metal mecánica fabrican piezas con estos procesos y con prensas de este tipo como

son: la automotriz, la naval, la aeronáutica, etc., y los ejemplos se pueden dar en una gran variedad.



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PROYECTO

Se desarrolla el plan y programa general del proyecto (fig. 2) utilizando un software de Administración de Proyectos

[1] generando más de 500 actividades del proyecto, las cuales incluían las que ya se comentaron, además de la

planeación de tareas, recursos, gastos, etc. Como se observa, el proceso de manufactura de un producto es cada vez

más multidisciplinario y al mismo tiempo se tienen más herramientas de cómputo que facilitan el trabajo de

ingeniería. A continuación se muestra una lista de los conceptos y los requerimientos generales de la prensa:

Equipo Industrial: Prensa de Potencia Hidráulica Tipo “C”

Capacidad Nominal: 1.47e6 N (150 ton)

Tiempo Ciclo: 4.5 seg. (13.2 ciclos por minuto)

Longitud de Movimiento: 0.2m (Carrera Cilindro)

Cabe comentar que la Aprobación y Liberación del Proyecto no correspondió a nuestro departamento, el

departamento de calidad y procesos, que trabaja este concepto realizó la validación correspondiente.

Fig. 2: Programa general del proyecto. (2/4 hojas)

6. DISEÑO ESTRUCTURAL

Para iniciar el diseño estructural se retomaron los dibujos correspondientes a la prensa en los cuales se y definieron

dimensiones, tolerancias y ajustes de acuerdo a la normatividad ISO [2]. Posteriormente se procedió al modelado

de la misma en un software (ANSYS) por el método de elementos finitos. El primer paso fue generar la geometría de

la prensa, se continuo con la selección de los elementos, que en este caso se manejaron dos tipos Shell-63 y Beam 44

[3], con esto se procedió a generar la malla (fig. 3 izq.), se establecieron las condiciones de frontera, así como las

condiciones de carga, aquí estamos hablando de la carga que ejerce la herramienta sobre el material al momento de la

operación y finalmente ejecutar el cálculo correspondiente, obteniéndose lo siguiente:

Fig. 3: lado izq.: Malla final; lado der.: Nodos de los elementos.



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En la fig. 4 izq. se tiene una simulación de la deformación de la prensa por la carga determinándose que es

adecuada, el Desplazamiento máximo que se obtuvo fue de 0.124e-5 m, la fig. 4 der. muestra los esfuerzos en la

prensa, encontrándose: Esfuerzo mínimo (SMN) = -0.011113 Mpa (Compresión) y Esfuerzo máximo (SMX) =

200,894 Mpa (Tensión). Analizando la fig. 4 der., observamos que la parte crítica se encuentra en el interior de la

“C” de la prensa (por los colores, que en este caso es el verde más intenso), lo cual también es correcto y además

validado por el comportamiento en este tipo de estructuras.

Fig. 4: lado izq.: Desplazamientos ò deformaciones; Lado der.: Esfuerzos

El cálculo dinámico se realizó con la ayuda del mismo paquete, sin embargo de antemano sabíamos que las

frecuencias de vibración son pequeñas (ver tabla 3), lo que fue confirmado.

Tabla 3: Modos y frecuencias de vibración de la prensa.

Modo Frecuencia (Hz)

1 24.934

2 25.814

3 31.273

4 36.792

5 41.165

DISEÑO HIDRÁULICO.

Primeramente se establecieron los caudales adecuados y necesarios para el sistema con el objeto de evitar que el

sistema sufra calentamientos, caídas de presión, ruptura de mangueras, así como daños prematuros en los

componentes del sistema, obviamente todo esto a través de la memoria de cálculo. Una vez hecho lo anterior se

procedió a diseñar y fabricar el cilindro hidráulico, el block manifold de válvulas y el tanque de aceite (fig. 5 y 6),

para posteriormente seleccionar los componentes y crear la unidad de potencia hidráulica de gran eficiencia.

Fig. 5: Izq. Memorias de cálculo; Der. Diagrama Hidráulico de la prensa.



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Es de gran importancia el diagrama hidráulico (ver fig. 5 der.) debido a que en el se muestra la estructura de

funcionamiento de la prensa [4] como se comenta a continuación.

Fig. 6: Lado izq.: Diseño de cilindro, Lado der. Diseño de block manifold

La unidad de potencia hidráulica de la prensa cuenta con un control que nos da una precisión que logra una gran

variedad de aplicaciones, con un control de carga y velocidad de operación del 20% al 100% optimizando su uso con

componentes y elementos hidráulicos de clase estándar, de bajo costo y larga vida de operación casi libres de

mantenimiento. Está incorporado un sistema de control adicional en la prensa para proteger los elementos

hidráulicos, generando un ahorro energía eléctrica. También se emplea un sistema de triple filtración para el control

de la contaminación del aceite en la aplicación de un mantenimiento pro-activo y un intercambiador de calor de aire

forzado (Air Cooler).

DISEÑO MECÁNICO

Los elementos mecánicos en la prensa se desarrollaron siguiendo los criterios en los estándares y normas ISO, al

proyectar esta máquina se idearon los criterios y factibilidades para tener las mejores condiciones de operación. Uno

de los componentes mecánicos más importantes en la prensa es la operación y control del carro troquel con sus guías

(Fig. 7), la cual se consideró con ocho puntos de control y con la suficiente área de contacto. Esto asegura que

cuando la prensa trabaje en su ciclo de perforado (fig. 8) se tenga el máximo control de las desalineaciones por los

esfuerzos generados.

Fig. 7: Puntos de control del carro troquel.

Fig. 8: Elementos del ciclo de perforado.

Ya establecidos los criterios adecuados de operación se procede al diseño de los componentes (fig. 9) de la prensa

para pasar posteriormente a la manufactura y ensamble de los mismos. En esta parte es muy importante considerar

los criterios de las normas sobre tolerancias geométricas, tolerancias direccionales y calidades superficiales [5], para

que las piezas sean ensambladas y funcionen correctamente.



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Fig. 9: Diseño mecánico para la manufactura de partes.

Las partes componentes y elementos mecánicos de la prensa; son, Platinas, Carro Troquel, Guías, Bujes, Placas,

Herramientas, etc. y cuentan con las siguientes características:

Dimensiones optimas de operación y funcionamiento; Materiales de alta calidad.

Tolerancias dimensiónales, geométricas y acabados superficiales.

Facilidad de ensamble, operación y mantenimiento.

Las platinas son de grandes dimensiones 84" x 36”

Las platinas son fijas, (pueden ser rotacionales, con sistema de calentamiento ò enfriamiento para moldeos).

Paralelismo máximo entre platinas de 0.015”

La superficie de la platina tiene una planicidad de 0.007”

Un acabado superficial de las platinas de 30 RMS.

Platos de seguridad de operación de la prensa.

DISEÑO ELÉCTRICO

El diseño eléctrico se basó en el ciclo de trabajo que se requería, que en este caso considera el modo manual y el

modo automático como ya se comentó anteriormente, esto permitió generar el diagrama eléctrico (ver fig. 10). Sin

embargo era necesario cubrir tres opciones en el modo automático que son: Encendido por pedal, encendido por

botones a dos manos que incluso evitan que el operador exponga las manos en el proceso y el último encendido una

vez que la pieza está colocada de manera correcta, en el caso del modo manual solo son dos: Interruptores y

selectores. En ambos casos se colocaron sensores de posicionamiento, con lo anterior se determinaron los consumos

y potencias de los componentes con la ayuda de tablas. Finalmente se procedió al ensamble de los subsistemas.

Fig. 10: Diagrama de Control y Componentes Eléctricos



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Como se observa en el diagrama, el control de la prensa no requiere de un PLC en este caso esto es mejor porque las

condiciones ambientales de trabajo de la prensa son extremas (polvo, calor, vibración). El sistema utiliza elementos

con los más altos estándares en la calidad de su fabricación y gran eficiencia (Motores, Contactores, Reveladores,

Tableros, Tablillas, Transformadores, Sensores, etc.).Sin embargo, la prensa es susceptible de mejorarse utilizando

controles electrónicos, interfaces de computo y sistemas de monitoreo por computadora.

ENSAMBLE

El ensamble de la prensa se inició a partir de los sub-ensambles como son el cuerpo ó la estructura de la prensa, el

cilindro hidráulico, la unidad de potencia hidráulica, el tablero de control eléctrico y las demás partes y componentes.

SEGURIDAD

Nuestra prensa hidráulica es segura, ya que se utilizaron controles a dos manos, protectores enlazados, así como, una

cortina electrónica. Se tiene integrado otro control que esta en el sistema hidráulico el cual es eficiente y de bajo

riesgo, lejos del operador, de partes en movimiento y de la generación de calor, pero que principalmente cumplen

con la normatividad en seguridad industrial para equipos y prensas hidráulicas de operación manual y automática [6].

APROBACIÓN Y LIBERACIÓN

Esta etapa corre a cuenta del departamento de Ingeniería Industrial y Aseguramiento de la calidad, el cual realizó una

producción piloto (PPAP [7]), con la que se determinó la optimización del proceso, para esto se basó con base en los

métodos y procedimientos del sistema de administración de la calidad ISO/TC 16949:2002 de Rassini Planta

Xalostoc, México en el Control de Procesos Claves y de Características Especiales [8].

RESULTADOS

De las principales características y beneficios de la prensa en SANLUIS© Rassini se tienen las siguientes:

1. Productividades altas con tasas de producción logradas de hasta 2,500 componentes por hora.

2. Producciones consistentes con criterios PPAP y Six Sigma.

3. Versatilidad y Velocidades de operación para procesos de manufactura diversos.

4. La potencia ó carga máxima esta disponible y es efectiva en cualquier punto de la carrera de trabajo del

carro troquel.

5. El cambio de herramientas se realiza en minutos (SMED), así como, una larga vida de las mismas.

6. Bajo nivel de ruido de operación de la prensa.

7. Sistemas integrales de seguridad máxima según normatividad. (ANSI B 11.2)

8. Construcción robusta para dar una insuperable longevidad.

9. Facilidad y el costo más bajo de mantenimiento, con elementos libres de mantenimiento y no se requiere de

un pequeño almacén de partes y refacciones.

10. Sellos y empaques de cilindro en perfiles y materiales especiales para alta temperatura y velocidad.

11. Facilidad de operación y automatización.

CONCLUSIONES

La fabricación de la prensa optimizó el proceso de manufactura en la fabricación de las muelles de la empresa

SANLUIS© Rassini, en la cual se logró un incremento en la productividad en un 300% y que fue validado por los

departamento de producción, aseguramiento de la calidad e Ingeniería Industrial. Se abarató el costo de fabricación

eliminando el consumo de combustible para el calentamiento de las muelles, reduciendo la mano de obra directa

(MOD) y demostrando la capacidad de ingeniería de la planta.



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REFERENCIAS

1. Microsoft© Office Project Professional 2007, Management Project,

2. International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Technical drawings, TC Standards

10, pp. 19. 1986.

ISO 128-1982 Technical drawings - General principles of presentation.

ISO 129-1985 Technical drawings - Dimensioning - General principles, definitions, methods

for execution and special indications.

ISO 406-1982 Technical drawings - Linear and angular tolerancing - indications on drawings.

ISO 1101-1983 Technical drawings - Geometrical tolerancing - tolerancing of form orientation

location and run-out - Generalities, definitions, symbols, indications on drawings.

ISO 1101/2-1983 Technical drawings -Tolerances of form and of position -Part II: Maximum

material principle.

ISO 1302-1978 Technical drawings - Method of indicating surface texture on drawings.

ISO 1660-1982 Technical drawings - Dimensioning and tolerancing of profiles.

ISO 3098/1-1974 Technical drawings - Lettering - Part Y: Currently used characters.

ISO 5455-1979 Technical drawings - Scales.

ISO 5457-1980 Technical drawings - Sizes and layout of drawings sheets.

3. ANSYS, Inc. is a UL registered ISO 9001:2000 Company, Software ANSYS Release 9.0,

Products ANSYS Multiphysics, Element reference > Part I > Element library, 2004.

(FEM, Finite Elements Method)

SHELL63 - Elastic Shell.

BEAM44 - 3D Elastic Tapered Unsymmetric Beam.

4. International Organization for Standardization, ISO CATALOGUE 1986, Fluid Power Systems, TC

Standards 131, pp. 251. 1986.

ISO 1219-1:1991 Fluid Power Systems, Graphic symbols

American National Standards Institute (ANSI),

ANSI AS 1101.1-1991 Graphics symbols for general engineering – hydraulics and pneumatic

systems.

5. Oberg, D. Jones, Horton & Ryffel, Industrial Press Inc. New York, 26th Edition Machinery’s Handbook,

6. ANSI B11 Subcommittees, American National Standards Institute (ANSI), www.webstore.ansi.org,

ANSI B11.2-1995, Hydraulics Power Press – Safety Requirements for Construction, Care, and

Use.

7. Gerencia de Calidad, Rassini Planta Xalostoc, Sistema de Administración de la Calidad, Procedimiento PPAP,

Proceso de Aprobación de Partes para Producción. (PPAP)

8. Gerencia de Operaciones, Rassini Planta Xalostoc, Procedimiento Especifico para la Calificación de Procesos

y Equipos, Código RX/GO/II/05/002. www.sanluisrassini.com

http://www.webstore.ansi.org/

http://www.sanluisrassini.com/

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