PROYECTO DISEÑO 1

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DISEÑO DE MÁQUINAS II
“PROYECTO FINAL”
SEBASTIÁN JOSÉ ARROYO FUENTES
BRAHAYAN ARROYO TAPIA 
LINDA LORENA DÍAZ REYES
YULEIDYS HUMÁNEZ PÉREZ
FERNANDO MIGUEL SOLAR DORIA
VALÉRY JOSÉ LANCHEROS SUÁREZ MSc.
(INGENIERO MECÁNICO)
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA 
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA 
MONTERÍA - CÓRDOBA 
2022
Índice
1.	INTRODUCCIÓN	13
2.	JUSTIFICACIÒN	14
3.	OBJETIVO GENERAL	15
4.	OBJETIVOS ESPECÍFICOS	15
5.	MARCO TEÓRICO	16
5.1.	Tribología	16
5.2.	Fricción	16
5.2.1.	Fuerza de rozamiento estática	17
5.2.2.	Fuerza de rozamiento cinética	17
5.2.3.	Coeficiente de fricción	18
5.3.	Dureza superficial y resistencia al desgaste	18
5.4.	Desgaste abrasivo	19
6.	NORMA ASTM G65-4	20
7.	METODOLOGÍA	25
7.1.	Primera etapa	25
7.2.	Segunda etapa	25
7.3.	Tercera etapa	25
8.	CÁLCULOS DE DISEÑO	26
9.	TABLA DE COSTOS	30
10.	REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS	31
11.	ANEXOS	32
	32
	33
	34
	35
	36
	37
TÍTULO: Diseño y simulación de una máquina de desgaste por abrasión en seco, bajo la norma ASTM G65-04 para el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Córdoba
1. INTRODUCCIÓN
El análisis de desgaste es muy importante. Porque, junto con la fatiga y la corrosión, son los problemas que más daños provocan en las máquinas y herramientas. El desgaste se puede definir como el daño o la erosión de una superficie sólida debido al deslizamiento, la rodadura o el impacto con otra superficie sólida. El desgaste de las máquinas es una gran preocupación para los ingenieros, ya que representa más del 50 % de la practicidad de las máquinas perdidas. Por lo tanto, controlar las condiciones que la afectan no solo evitará fallas en las máquinas, sino que finalmente optimizará los procesos industriales. El resultado del desgaste, es la perdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por lo tanto la perdida de tolerancias. Casi todas las maquinas disminuyen su vida útil y su confiabilidad debido al desgaste. Por tanto, el control de este fenómeno ha llegado a ser una fuerte necesidad para el desarrollo y confiabilidad de la tecnología.
Existe entonces la necesidad de desarrollar ayudas y equipos de aprendizaje educativo para diversas áreas de aplicación de la ingeniería donde los desarrollos conceptuales y teóricos se enseñan en el aula. Un ejemplo de esto podría ser un diseño que requiera apoyo práctico en temas como el análisis de sistemas. El diseño de la máquina está definido de muchas formas por la norma ASTM G65. Este estándar proporciona información detallada sobre los componentes clave del equipo y estandariza en gran medida el diseño general de la máquina.
Una prueba de desgaste en seco que cumpla con la norma ASTM G-65 requiere que solo algunas de las partes básicas de la prueba se fabriquen con materiales y dimensiones específicas, estableciendo parámetros generales para la prueba según el tipo de experimento que se realice.
2. JUSTIFICACIÒN
El programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad De Córdoba, tiene como misión la creación de profesionales con la capacidad de usar el conocimiento adquirido para diseñar, modificar y crear elementos de máquinas, como también, realizar procesos de investigación con el fin de resolver problemas presentes en la industria local, nacional e internacional. La gran mayoría de los procesos de investigación realizados en ingeniería mecánica están relacionados con el estudio de las propiedades de los materiales. Es necesario desarrollar equipos para apoyar el proceso pedagógico de las diferentes ramas de aplicación de la ingeniería, donde se complemente de manera práctica el concepto y el desarrollo teórico instruido en el aula, con la práctica de laboratorio. Donde actualmente están teniendo uno de los inconvenientes debido a que la universidad de Córdoba no cuenta con una máquina para realizar ensayos de desgaste a este tipo de materiales. Además de esto, la idea final del diseño es que, la máquina también pueda realizar ensayos para metales fundidos, forjados y cerámicas.
3. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar el diseño y simulación de una máquina para ensayos por abrasión en seco, bajo la norma ASTM G65-04 para metales forjados, fundidos y cerámicas. 
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
· Adecuar las variables que intervienen en la prueba de desgaste por abrasión en seco, para lograr un diseño y cálculo de los elementos que conforman la máquina. 
· Establecer condiciones óptimas de trabajo de la máquina de ensayo de abrasión en seco para asegurar un buen rendimiento. 
· Aplicar los conceptos vistos en clases para el respectivo diseño de la máquina de ensayo de abrasión. 
5. MARCO TEÓRICO 
5.1. Tribología 
La tribología es un estudio interdisciplinario de superficies que interactúan en movimiento relativo. Se ocupa del estudio y aplicación de los principios de fricción, lubricación y desgaste bajo carga. El funcionamiento y rendimiento de los componentes de la máquina depende en gran medida de la tribología. El control de fricción reduce la pérdida de energía y aumenta la eficiencia y la vida útil de la máquina. El desgaste del material de la superficie puede provocar daños graves y daños a los componentes y/o la maquinaria. El enfoque más común para reducir la fricción y minimizar el desgaste y la falla de los componentes de la maquina se da por medio de la selección adecuada de los materiales y lubricantes, los cuales reducen la fricción y previenen el desgaste.
El campo de estudio de la Tribología está relacionado con la interacción de contacto entre sólidos en movimiento relativo centrándose en el estudio de tres fenómenos como lo es la fricción entre dos cuerpos que se encuentran en movimiento, el desgaste como efecto natural del fenómeno anterior y la lubricación como el medio para evitar el desgaste.
5.2. Fricción 
La fricción se define como la fuerza de fricción entre dos superficies en contacto, una fuerza predeterminada se opone al movimiento de una superficie sobre la otra. La fuerza de fricción es independiente de la superficie de contacto aparente porque la mayoría de las superficies, incluso las que se consideran pulidas, son extremadamente rugosas a escala microscópica. Los vértices de la interfaz donde las dos superficies están realmente en contacto determinan el área de contacto real.
Fuente: H. Appold, K. Feiler, A. Reinhard, P. Schmidt; Tecnología de los metales,
Barcelona - España. (2005)
5.2.1. Fuerza de rozamiento estática
La fuerza que actúa entre dos objetos inmóviles entre sí. La fuerza que actúa sobre la barra con masa aumenta gradualmente, pero la barra está en reposo. Como la aceleración es cero, la fuerza que actúa es igual y opuesta a la fuerza de fricción estática . La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar donde la fuerza de fricción máxima es igual al coeficiente de fricción por la fuerza normal, esto es:
 Ecu. 1
5.2.2. Fuerza de rozamiento cinética
Se puede investigar la dependencia de con la fuerza normal . Se ve que, si se duplica la masa m, del bloque que desliza colocando encima de éste otro igual, la fuerza normal se duplica, la fuerza con la que se tira del bloque se duplica y por tanto se duplica.
De ese modo, la fuerza de rozamiento dinámico es proporcional a la fuerza normal .
 Ecu. 2
5.2.3. Coeficiente de fricción 
El coeficiente de fricción entre dos superficies sólidas que se encuentren en contacto es función de varios factores entre los cuales se encuentran: El acabado superficial de las dos superficies, la carga aplicada sobre los cuerpos, la dirección del movimiento, la velocidad del movimiento y por último la temperatura de la región de contacto. La energía generada por la fuerza de fricción está asociada con la energía total perdida por el sistema de deslizamiento, cuya manera principal de presentarse es en forma de calor, por otro lado, el desgaste se relaciona con la energía generada por el movimiento y por el daño sufrido en la superficie del material, generalmente esta energía es mucho menor comparada con la defricción.
5.3. Dureza superficial y resistencia al desgaste
La dureza superficial se entiende generalmente como la capacidad de resistir la penetración de un material en un cuerpo hecho de un material más duro. Por lo tanto, la dureza no es una cantidad fundamental del material, sino que siempre es la respuesta del material a una carga o método de prueba particular. El valor de la dureza se calcula en función de la respuesta del material a la carga aplicada.
El endurecimiento de la superficie es un proceso en el que la dureza de la superficie (recubrimiento) de un objeto aumenta mientras que el núcleo interno del objeto permanece resistente y elástico. Después de este proceso, se mejoran la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la vida de fatiga. Esto se logra a través de distintos procesos, como la carburación o la nitruración, en los que el componente se expone a una atmósfera de carbono o nitrógeno a alta temperatura. Como está escrito, dos características principales del material afectan:
· La dureza y la resistencia al desgaste tendrán mejoras significativas.
· La tenacidad no se afecta negativamente.
5.4. Desgaste abrasivo
Se define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica.
De acuerdo con el nivel del daño sufrido, el desgaste abrasivo se puede clasificar en:
· Abrasión de bajo esfuerzo: se conoce también bajo el nombre de rayado, es el desgate que ocurre debido a un frotamiento relativamente suave de partículas abrasivas contra superficies o elementos metálicos, se denomina de bajo esfuerzo ya que las cargas son lo suficientemente bajas de tal modo que las partículas no se desintegren o se rompan. Generalmente el daño se presenta en forma de rayado y la deformación de la superficie es mínima.
· Abrasión de alto esfuerzo: desgaste donde la fuerza aplicada es lo suficientemente alta como para triturar las partículas. El daño se caracteriza por la deformación plástica, rayado y picado del material, debido a las partículas presionadas sobre el cuerpo.
· Gouging: se refiere a la remoción de material debido a la acción repetitiva de altas cargas compresivas producidas por partículas grandes como rocas, dejando a su paso grandes surcos en la superficie gastada.
· Pulido: es un desgaste muy suave donde la abrasión es muy fina, el material se remueve por medio de frotamientos contra otras superficies, el rayado es poco visible y no hay fractura ni deformación plástica.
Fuente: KALPAKJIAN - SCHMID.; Manufactura, ingeniería y tecnología, México (2002) (Reimpreso)
6. NORMA ASTM G65-4
Esta norma define la que el alcance que tiene el ensayo con esta máquina es determinar la resistencia a la abrasión por rayado de distintos materiales metálicos y cerámicos. El fin del ensayo es producir datos que clasifiquen a los materiales de acuerdo con la resistencia a la abrasión por rayado bajo un conjunto de condiciones específicas.
Fuente: ASTM, E. (1991). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. ASTM G65-91, 231-243.
Para el desarrollo de la maquina se tienen en cuenta 9 elementos conformados entre los elementos de la máquina y los materiales para realizar el ensayo que son de suma importancia para garantizar la uniformidad de los resultados del ensayo entre los laboratorios, los cuales se definen a continuación.
· Rueda de caucho: Consiste en un disco de acero comuna capa exterior de caucho de clorobutilo moldeada en su periferia. La dureza óptima del caucho es la del durómetro A-60. La composición recomendada del caucho y una fuente de moldeo calificada se indican en la siguiente tabla.
Tabla 1. Formula del caucho de clorobutilo.
Fuente: ASTM, E. (1991). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. ASTM G65-91, 231-243.
Fuente: ASTM, E. (1991). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. ASTM G65-91, 231-243.
· Abrasivo: El tipo de abrasivo será una arena de grano de cuarzo redondeado, como la arena de ensayo AFS 50/70. El contenido de humedad no deberá superar el 0,5 % en peso. La arena que ha sido sometida a la humedad o a una alta humedad relativa continuada puede tomar humedad, lo que afectará a los resultados del ensayo. El contenido de humedad puede determinarse midiendo la pérdida de peso después de calentar una muestra a aproximadamente 120°C (250°F) durante 1 h como mínimo. Si la arena de ensayo contiene una humedad superior al 0,5%, se secará calentándola a 100°C (212°F) durante 1 hora como mínimo y repetir el ensayo de humedad. En zonas de alta humedad, la arena puede almacenarse eficazmente en salas de temperatura y humedad constante o en un contenedor de almacenamiento de acero cenado equipado con una bombilla eléctrica de 100 W También son adecuados los homos de secado de electrodos de soldadura, disponibles en los proveedores de equipos de soldadura El uso múltiple de la arena puede afectar a los resultados de las pruebas y no se recomienda la arena de ensayo AFS 50/70 se controla en el siguiente rango de tamaños utilizando fauces estadounidenses.
· Boquilla de arena: Se muestra el diseño de la boquilla fabricada que se desarrolló para producir un caudal de arena preciso y de forma adecuada la cortina de arena para los procedimientos de prueba. La boquilla puede ser de cualquier longitud conveniente que permita la conexión a la tolva a la tolva de arena mediante un tubo de plástico. En las boquillas nuevas, el caudal de arena se ajusta rectificando el orificio de la boquilla para aumentar la anchura de la abertura y desarrollar un caudal de arena de 300 a 400 g/min. Durante el uso, la abertura de la boquilla debe colocarse tan cerca de la unión de la muestra de ensayo y la rueda de goma como lo permita el diseño.
Fuente: ASTM, E. (1991). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. ASTM G65-91, 231-243.
· Acondicionamiento del motor: La rueda es accionada por un motor de comente continua de 0,7 kW (1 CV) a través de una caja de engranajes 10/1 para garantizar que se suministre todo el par durante la prueba La velocidad de giro (200 6 10 rpm) debe permanecer constante bajo carga. Son adecuados otros accionamientos que produzcan 200 rpm bajo carga.
· Contador de revoluciones de la rueda: La máquina estará equipada con un contador de revoluciones que controlará el número de revoluciones de la rueda según lo especificado en el procedimiento (Sección 9). Se recomienda que el contador incremental tenga la capacidad de apagar la máquina después de alcanzar un numero preseleccionado de revoluciones de la rueda o incrementos de hasta 12000 revoluciones.
· Soporte de la muestra y brazo de palanca: El soporte de la muestra está unido al brazo de palanca al que se añaden las pesas, de modo que se aplica una fuerza a lo largo de la línea diametral horizontal de la rueda. Se debe disponer de un número adecuado de pesas para aplicar la fuerza apropiada entre la muestra de ensayo y la rueda El peso real necesario no debe calcularse, sino que debe determinarse por medición directa, anotando la carga necesaria para separar el porta muestras de la rueda. Un sistema de pesas conveniente es una lata llena de arena.
· Balanza analítica: La balanza utilizada para medir la pérdida de masa de la muestra de ensayo deberá tener una sensibilidad de 0,001g El procedimiento C requiere una sensibilidad de 0,0001g.
Fuente: ASTM, E. (1991). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. ASTM G65-91, 231-243.
7. METODOLOGÍA 
En el presente proyecto se implementó una metodología de diseñopara la fabricación de una máquina de desgaste por abrasión en seco, bajo la norma ASTM G65-04; que ayude a sistematizar y seguir métodos de construcción de procesos para estandarización de resultados fiables y comparables con otras investigaciones relacionadas. La metodología consistirá en 3 etapas:
7.1. Primera etapa 
En esta primera etapa consistió en la búsqueda de antecedentes y la norma ASTM G65-04, limitando así el proyecto con pasos a seguir estipulado por la presente norma y demarcando así el objetivo de diseño de una máquina de desgaste por abrasión en seco, bajo la norma ASTM G65-04 para el departamento de la Universidad de Córdoba.
7.2. Segunda etapa
Se llevó a cabo el análisis cuantitativo de las varíales que intervinieron en los elementos que constituye de la máquina, se hizo uso de software (SolidWorks), (MDSolids) y (Excel). Sobre el cual se realizamos los cálculos pertinentes que permitieron la correcta selección componentes
7.3. Tercera etapa
El proceso final del proyecto resultando en la construcción y fabricación de un dispositivo de ensayo que cumple a cabalidad con los requerimientos de la norma ASTM G65
8. CÁLCULOS DE DISEÑO 
· Se calcula el centroide masa del brazo para poder calcular el peso del elemento para de esta manera saber cual es el peso necesario para el contrapeso para poder ejecutar el ensayo.
· Conociendo el centroide y el peso del brazo, se puede calcular los pesos necesarios para los contrapesos para ejecutar el ensayo con las fuerzas de 130N y 45N ejercidas en las probetas.
Por lo cual es necesario dos pesas de 3,53 y 0,27 Kg para cada ensayo. Estos valores fueron calculados al dividir el peso del contrapeso entre la gravedad, ya que F=m*a.
· Se proceden a hallar el torque que proporciona el motor, la fuerza ejercida por el motor al eje y los momentos para luego hallar el esfuerzo cortante y de esta manera poder hallar el diámetro que necesita tener el eje para soportar estos ensayos.
Los momentos fueron hallados gracias al software DsSolid.
Eje X-Z
Eje Y-Z
· Ahora, cálculos para determinar las poleas y bandas necesarias para hacer la reducción de revoluciones necesarias para lograr el objetivo de ensayo.
Datos de entrada
Distancia entre centros estimada (c): 15 pulgadas
Factor de servicio (Fs): 1,1
Potencia nominal (Pn): 1,2 HP
Diámetro de polea conductora: 4,12 pulgadas
Diámetro de polea conducida: 5 pulgadas
Cálculos
Revoluciones entregadas por el motor:
Revoluciones necesarias para ejecutar el ensayo:
Cálculo de velocidad para la polea pequeña:
Como 269,65 es menor que 6500 la cual es la velocidad límite para estas poleas, se procede a continuar con la combinación de poleas.
Longitud inicial de la banda
Seleccionamos una correa 3VX450=45 pulgadas.
Para la distancia modificada entre centros:
Correas necesarias para la transmisión:
.
Por lo tanto, se requieren 2 bandas 3VX450 con poleas de doble canal.
9. TABLA DE COSTOS
Para la realización del proyecto se estimaron valores para cada uno de los elementos de la máquina según el precio del mercado. 
	Ubicación
	Materiales
	Precios C. U
	Precio Total
	Componente Eléctricos
	Motor eléctrico 1hp monofásico alta Rpm industrial nuevos
	$ 370.000
	$ 370.000
	
	Parada de emergencia, Cableado, Medidor de RPM, bascula.
	$ 200.000
	$ 200.000
	Disco de Corte
	Placa AISI 1020
	$ 120.000
	$ 120.000
	
	Caucho NBR 60 (x1 m)
	$ 22.916
	$ 45.832
	Base
	Hierro Angular de 1x1x3 in (Tramos de 6m)
	$ 45.350
	$ 136.050
	
	Lámina metálica 4x8
	$ 182.000
	$ 120.000
	Eje
	Eje solido 1-1/2 (Tramo 0,3m)
	$ 48.000,00
	$ 48.000,00
	Contra peso
	Pesas (Contra peso)
	$ 5.000
	$ 15.000
	Brazo
	Tubería rectangular 40 x 20 (Tramos de 6m)
	$ 40.100
	$ 40.100
	Soporte
	Chumacera de Pedestal
	$ 62.000
	$ 62.000
	Tornillería y Tuercas
	Arandelas, tornillos 5/8x1-1/2, tornillo 1/4x1
	$ 36.000
	$ 36.000,00
	Control de flujo
	Válvula de paso
	$ 3.500,00
	$ 3.500,00
	Chapas Metálicas
	Lámina galvanizada 4x8 (Calibre 18)
	$ 246.000
	$ 246.000,00
	Mecanizado
	Torneado a placa, placa AISI 1020, Eje sólido, Fresado, Roscado
	$ 500.000
	$ 500.000
	Soldadura
	E6011x1/8 (1kg)
	$ 15.800
	$ 31.600
	Bandas para la reducción de velocidades
	2 bandas 3VX450 y sus aditamentos
	$95.000
	$190.000
	
	
	TOTAL
	$ 2.160.582
10. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS 
Gamba Martínez, R. S., Morales Moreno, R. A., & Ortiz Rojas, F. G. (2014). Diseño y construcción de una máquina para ensayo de desgaste abrasivo, según norma técnica ASTM G65.
Suarez, R., & Lozano, F. (2014). Comparación de la dureza superficial de resinas de nanotecnología, según el momento del pulido: in vitro. Revista Estomatológica Herediana, 24(1), 11-11.
TECNOLOGÍA DE LOS METALES, H. Appold, K. Feiler, A. Reinhard, P. Schmidt. Barcelona - España. (2005)
Uribe Granados, S. F. Diseño y fabricación de una máquina para ensayo de desgaste abrasivo según lineamientos de la norma ASTM G65.
Pérez-Oviedo, P., & Torre-Nieto, J. Guía de Diseño Para Calcular el Desgaste Abrasivo Entre Componentes no Lubricados.
11. ANEXOS