Problemas Resueltos De Tecnologia De Fabricacion

0 views

Skip to first unread message

Larae Mobus

unread,

Jul 1, 2024, 5:17:28 PM7/1/24

to paysigquifau

Problemas resueltos de tecnología de fabricación

La tecnología de fabricación es el conjunto de conocimientos, técnicas y procesos que se aplican para transformar materias primas en productos útiles para la sociedad. La tecnología de fabricación abarca desde el diseño y la selección de los materiales, hasta la ejecución y el control de calidad de los procesos de fabricación. La tecnología de fabricación es una disciplina fundamental para la ingeniería industrial y la ingeniería técnica industrial, ya que permite optimizar los recursos, mejorar la productividad, reducir los costes y garantizar la calidad y la seguridad de los productos.

problemas resueltos de tecnologia de fabricacion

DOWNLOAD ✺✺✺ https://www.google.com/url?hl=en&q=https://shoxet.com/2ySHLW&source=gmail&ust=1719955046322000&usg=AOvVaw20C0GcU8kHgXyMM0Ovz4YT

En este artículo se presentan algunos problemas resueltos de tecnología de fabricación, extraídos de diferentes fuentes bibliográficas y académicas. Los problemas abordan distintos aspectos de la tecnología de fabricación, como el conformado por deformación plástica, el mecanizado, la automatización y el cálculo de costes. Los problemas se plantean y se resuelven siguiendo una metodología clara y rigurosa, con el apoyo de figuras, tablas y fórmulas. Los problemas resueltos son una herramienta útil para el aprendizaje y la práctica de la tecnología de fabricación, así como para la preparación de exámenes y evaluaciones.

Problema 1: Conformado por deformación plástica

El conformado por deformación plástica es un proceso de fabricación que consiste en someter a un material a esfuerzos que superan su límite elástico, provocando una deformación permanente del mismo. El conformado por deformación plástica se utiliza para obtener piezas con formas complejas y propiedades mecánicas mejoradas. Algunos ejemplos de procesos de conformado por deformación plástica son el laminado, el forjado, el estampado, el embutido y el extrusión.

El problema que se plantea es el siguiente: Se desea obtener una pieza cilíndrica hueca mediante extrusión directa a partir de un lingote cilíndrico macizo. El lingote tiene un diámetro inicial D_i = 100 mm y una longitud inicial L_i = 200 mm. La pieza final tiene un diámetro exterior D_f = 80 mm y un diámetro interior d_f = 40 mm. Se pide calcular:

La longitud final L_f de la pieza.

El coeficiente de extrusión K.

La fuerza máxima F_máx necesaria para realizar la extrusión.

El trabajo W realizado en la extrusión.

El rendimiento η del proceso.

La solución del problema es la siguiente:

La longitud final L_f se puede obtener aplicando la conservación del volumen entre el lingote inicial y la pieza final, ya que se supone que no hay pérdidas ni variaciones de densidad en el proceso. Así, se tiene que:

$\bg_white V_i=V_f\Rightarrow \pi \left(\fracD_i2\right)^2L_i=\pi \left(\fracD_f^2-d_f^24\right)L_f$

$\bg_white L_f=\fracD_i^2L_iD_f^2-d_f^2=\frac(100 mm)^2(200 mm)(80 mm)^2-(40 mm)^2=625 mm$

El coeficiente de extrusión K es un parámetro que indica la relación entre el área inicial y el área final de la sección transversal de la pieza. Se define como:

$\bg_white K=\fracA_iA_f=\frac\pi D_i^2/4\pi (D_f^2-d_f^2)/4=\fracD_i^2D_f^2-d_f^2=\frac(100 mm)^2(80 mm)^2-(40 mm)^2=4$

La fuerza máxima F_máx se puede estimar aplicando la ecuación de Avitzur, que relaciona la fuerza con el coeficiente de extrusión, el diámetro inicial, la tensión media de fluencia del material y un factor de fricción m. Se asume que el material es un acero con una tensión media de fluencia σ_m = 400 MPa y que el factor de fricción m = 0.1. La ecuación de Avitzur es:

$\bg_white F_m\acuteax=K\left[1+m\left(K-1\right)\right]\pi \sigma_mD_i/4=4\left[1+0.1\left(4-1\right)\right]\pi (400 MPa)(100 mm)/4=6.28\times10^6N$

El trabajo W se puede obtener integrando la fuerza a lo largo del recorrido del lingote, desde la posición inicial hasta la final. Se asume que la fuerza es constante e igual a la máxima, lo que implica una simplificación del problema. El trabajo es:

$\bg_white W=F_m\acuteax\Delta x=F_m\acuteax(L_i-L_f)=6.28\times10^6N(200 mm-625 mm)=-2.67\times10^9J$

El rendimiento η es la relación entre el trabajo útil y el trabajo total. El trabajo útil es el que se emplea en deformar el material, mientras que el trabajo total es el que se suministra al proceso. El trabajo útil se puede calcular como el producto de la tensión media de fluencia y la variación de volumen específico del material, que se puede aproximar por la variación de longitud específica. El rendimiento es:

$\bg_white W_u=\sigma_m\Delta v_e=\sigma_m\frac\Delta LL_i=\sigma_m\fracL_i-L_fL_i=(400 MPa)\frac200 mm-625 mm200 mm=-0.85\times10^9J$

$\bg_white \eta=\fracW_uW=\frac-0.85\times10^9J-2.67\times10^9J=0.32$

El rendimiento es menor que la unidad, lo que indica que hay pérdidas de energía en el proceso, principalmente debidas a la fricción entre el material y la matriz de extrusión.

Problema 2: Mecanizado

El mecanizado es un proceso de fabricación que consiste en arrancar material de una pieza mediante una herramienta de corte, con el fin de obtener una forma y unas dimensiones determinadas. El mecanizado se realiza mediante máquinas-herramienta, como el torno, la fresadora, el taladro o la sierra. El mecanizado es un proceso versátil y preciso, que permite obtener piezas con geometrías complejas y tolerancias ajustadas.

El problema que se plantea es el siguiente: Se desea mecanizar una pieza cilíndrica de acero con un diámetro inicial D_i = 50 mm y una longitud L = 100 mm, mediante un torno paralelo. La pieza debe quedar con un diámetro final D_f = 40 mm y una rugosidad superficial R_a = 1.6 μm. Se dispone de una herramienta de corte de metal duro con un ángulo de corte principal α = 15 y un radio de punta r = 0.8 mm. Se pide calcular:

La profundidad de pasada a_p y el avance f necesarios para obtener el diámetro final y la rugosidad requeridos.

La velocidad de corte V_c óptima para maximizar la vida útil de la herramienta, sabiendo que la ecuación de Taylor para el material y la herramienta dados es V_cT = C, donde T es el tiempo de vida útil en minutos, n = 0.25 y C = 60.

El tiempo total t_t empleado en mecanizar la pieza, considerando que se realiza una sola pasada.

La potencia P requerida para realizar el mecanizado, sabiendo que el coeficiente de potencia específica k_c para el material es 2500 W/mm/m.

La solución del problema es la siguiente:

La profundidad de pasada a_p se puede obtener a partir de la diferencia entre el diámetro inicial y el final, dividiendo por dos. La profundidad de pasada es:

$\bg_white a_p=\fracD_i-D_f2=\frac50 mm-40 mm2=5 mm$

El avance f se puede obtener a partir de la relación empírica entre el avance, el radio de punta y la rugosidad superficial, que es f = 0.8 R_a + r. El avance es:

$\bg_white f=0.8R_a+r=0.8(1.6 \mu m)+(0.8 mm)=1.28 mm$

La velocidad de corte V_c óptima se puede obtener igualando el tiempo de vida útil T al tiempo de mecanizado t_m, y despejando V_c de la ecuación de Taylor. El tiempo de mecanizado t_m se puede calcular como el cociente entre la longitud de la pieza y el producto del avance y el número de revoluciones N. La velocidad de corte V_c es:

$\bg_white T=t_m\Rightarrow V_cT^n=C\Rightarrow V_c=\left(\fracCT\right)^1/n$

$\bg_white t_m=\fracLfN\Rightarrow N=\fracLft_m$

$\bg_white V_c=\pi D_fN\Rightarrow N=\fracV_c\pi D_f$

$\bg_white \fracLft_m=\fracV_c\pi D_f\Rightarrow t_m=\frac\pi D_fLfV_c$

$\bg_white V_c=\left(\fracCt_m\right)^1/n=\left(\frac60\pi (40 mm)(100 mm)(1.28 mm)/V_c\right)^4=76.5 m/min$

El tiempo total t_t se puede obtener sumando el tiempo de mecanizado t_m y el tiempo auxiliar t_a, que incluye el tiempo de preparación, fijación, cambio de herramienta, etc. Se asume que el tiempo auxiliar es un 10% del tiempo de mecanizado. El tiempo total es:

$\bg_white t_t=t_m+t_a=t_m(1+0.1)=\frac\pi D_fLfV_c(1.1)=9.4 min$

La potencia P se puede obtener multiplicando el coeficiente de potencia específica k_c por el volumen específico de arranque de viruta V_e y la velocidad de corte V_c. El volumen específico de arranque de viruta V_e se puede calcular como el producto de la profundidad de pasada a_p, el avance f y el diámetro final D_f. La potencia es:

$\bg_white P=k_cV_eV_c=k_ca_pfD_fV_c=(2500 W/mm^3/m)(5 mm)(1.28 mm)(40 mm)(76.5 m/min)=4.92\times10^6W$

Este es el valor de la potencia teórica, que no tiene en cuenta las pérdidas por fricción, calor, vibraciones, etc. La potencia real será mayor que la teórica, y dependerá del rendimiento de la máquina-herramienta y de la herramienta de corte.

Problema 3: Automatización

La automatización es el uso de sistemas o dispositivos que controlan y realizan procesos de fabricación sin la intervención humana directa. La automatización se basa en el empleo de sensores, actuadores, controladores, software y comunicaciones para lograr una mayor eficiencia, calidad, seguridad y flexibilidad en la producción. La automatización se aplica a diversos ámbitos de la fabricación, como la robótica, la mecatrónica, el control numérico, la visión artificial o la inteligencia artificial.

El problema que se plantea es el siguiente: Se desea diseñar un sistema automatizado para clasificar piezas metálicas según su forma y su color. Las piezas pueden ser cilíndricas o cúbicas, y pueden tener tres colores diferentes: rojo, verde o azul. Las piezas llegan a una cinta transportadora que las lleva hasta una estación de clasificación, donde se dispone de un sensor óptico que detecta la forma y el color de cada pieza, y de tres actuadores neumáticos que desvían las piezas hacia tres contenedores distintos según su clasificación. Se pide:

Dibujar un diagrama de flujo que represente el funcionamiento del sistema automatizado.

Escribir un pseudocódigo que implemente la lógica de control del sistema automatizado.

Calcular el tiempo medio que tarda el sistema en clasificar una pieza, sabiendo que la velocidad de la cinta transportadora es 0.5 m/s, la distancia entre el sensor y los actuadores es 1 m, el tiempo de respuesta del sensor es 0.1 s, el tiempo de accionamiento de los actuadores es 0.2 s y la distancia entre los actuadores y los contenedores es 0.5 m.

La solución del problema es la siguiente:

El diagrama de flujo que representa el funcionamiento del sistema automatizado es el siguiente:

Diagrama de flujo

El pseudocódigo que implementa la lógica de control del sistema automatizado es el siguiente:

// Inicializar las variables forma = "" // Variable que almacena la forma de la pieza color = "" // Variable que almacena el color de la pieza A1 = false // Variable que indica si el actuador 1 está activado A2 = false // Variable que indica si el actuador 2 está activado A3 = false // Variable que indica si el actuador 3 está activado // Bucle principal while (true)    // Leer el sensor óptico   forma = leerForma()   color = leerColor()   // Clasificar la pieza según su forma y su color   if (forma == "cilindro")      if (color == "rojo")        // Activar el actuador 1       A1 = true      else if (color == "verde")        // Activar el actuador 2       A2 = true      else if (color == "azul")        // Activar el actuador 3       A3 = true         else if (forma == "cubo")      if (color == "rojo")        // Activar el actuador 2       A2 = true      else if (color == "verde")        // Activar el actuador 3       A3 = true      else if (color == "azul")        // Activar el actuador 1       A1 = true           // Esperar a que la pieza llegue al actuador correspondiente   esperar(1 / 0.5) // Tiempo en segundos   // Desactivar los actuadores   A1 = false   A2 = false   A3 = false   // Esperar a que la pieza llegue al contenedor correspondiente   esperar(0.5 / 0.5) // Tiempo en segundos

El tiempo medio que tarda el sistema en clasificar una pieza se puede obtener sumando los tiempos de cada etapa del proceso. El tiempo medio es:

$\bg_white t_m=t_s+t_r+t_a+t_c=0.1 s+1/0.5 s+0.2 s+0.5/0.5 s=2.8 s$

Donde t_s es el tiempo de lectura del sensor, t_r es el tiempo de recorrido de la pieza desde el sensor hasta el actuador, t_a es el tiempo de accionamiento del actuador y t_c es el tiempo de recorrido de la pieza desde el actuador hasta el contenedor.

Problema 4: Cálculo de costes

El cálculo de costes es una actividad que consiste en estimar el valor monetario de los recursos necesarios para realizar un proceso de fabricación. El cálculo de costes permite evaluar la rentabilidad, la competitividad y la eficiencia de un producto o un servicio. El cálculo de costes se basa en el análisis de los diferentes tipos de costes que intervienen en la fabricación, como el coste de los materiales, el coste de la mano de obra, el coste de las máquinas, el coste de la energía, el coste de los desperdicios, etc.

El problema que se plantea es el siguiente: Se desea fabricar una pieza cilíndrica hueca mediante torneado a partir de una barra maciza de aluminio. La pieza tiene un diámetro exterior D_f = 50 mm, un diámetro interior d_f = 20 mm y una longitud L = 100 mm. La barra tiene un diámetro D_i = 60 mm y un precio P_m = 10 /kg. El torneado se realiza con una máquina CNC que tiene un coste horario C_m = 50 /h, incluyendo la amortización, el mantenimiento y la energía. La herramienta de corte tiene un coste unitario C_t = 5 y una vida útil T = 60 min. La mano de obra tiene un coste horario C_l = 20 /h. Se pide calcular:

El peso W_p y el coste C_p de la pieza.

El peso W_v y el coste C_v del viruta generada.

El tiempo t_t y el coste C_t del torneado.

El coste total C_T de fabricar la pieza.

La solución del problema es la siguiente:

El peso W_p se puede obtener aplicando la fórmula del volumen y la densidad del cilindro hueco. Se asume que la densidad del aluminio es ρ = 2700 kg/m. El peso es:

$\bg_white W_p=\rho V_p=\rho \pi \left(\fracD_f^2-d_f^24\right)L=(2700 kg/m^3)\pi \left(\frac(0.05 m)^2-(0.02 m)^24\right)(0.1 m)=0.64 kg$

El coste C_p se puede obtener multiplicando el peso W_p por el precio P_m. El coste es:

$\bg_white C_p=W_pP_m=(0.64 kg)(10 /kg)=6.4$

El peso W_v se puede obtener restando el peso W_p al peso W_i de la barra inicial, que se calcula con la misma fórmula que el peso W_p, pero con el diámetro D_i. El peso es:

$\bg_white W_i=\rho V_i=\rho \pi \left(\fracD_i^24\right)L=(2700 kg/m^3)\pi \left(\frac(0.06 m)^24\right)(0.1 m)=0.76 kg$

$\bg_white W_v=W_i-W_p=0.76 kg-0.64 kg=0.12 kg$

El coste C_v se puede obtener multiplicando el peso W_v por el precio P_m. El coste es:

$\bg_white C_v=W_vP_m=(0.12 kg)(10 /kg)=1.2$

El tiempo t_t se puede obtener aplicando la fórmula del tiempo de mecanizado, que depende de la longitud L, el diámetro medio D_m, el avance f y la velocidad de corte V_c. Se asume que el avance f = 0.2 mm/rev y la velocidad de corte V_c = 100 m/min. El diámetro medio D_m se puede calcular como el promedio entre el diámetro inicial D_i y el final D_f. El tiempo es:

$\bg_white D_m=\fracD_i+D_f2=\frac60 mm+50 mm2=55 mm$

$\bg_white t_t=\fracLfN=\fracLf\fracV_c\pi D_m=\frac\pi D_mLfV_c=\frac\pi (55 mm)(100 mm)(0.2 mm/rev)(100 m/min)(1000 mm/m)=0.35 min$

El coste C_t se puede obtener sumando los costes de la máquina C_m, la herramienta C_t y la mano de obra C_l, multiplicados por el tiempo t_t. El coste es:

$\bg_white C_t=(C_m+C_t/T+C_l)t_t=\left(50+\frac560+20\right)(0.35)=25.42$

El coste total C_T se puede obtener sumando los costes de la pieza C_p, la viruta C_v y el torneado C_t. El coste es:

$\bg_white C_T=C_p+C_v+C_t=6.4+1.2+25.42=33.02$

Este es el valor del coste total teórico, que no tiene en cuenta posibles imprevistos, errores, variaciones, etc. El coste real puede ser mayor o menor que el teórico, dependiendo de la eficacia y la calidad del proceso de fabricación.