SISTEMA DE MOVIMIENTO ROTACIONAL Y LINEAL DE UNA MQUINA DE DOBLE INYECCIN

SISTEMA DE MOVIMIENTO ROTACIONAL Y LINEAL DE UNA MQUINA DE DOBLE INYECCIN2014

SISTEMA DE MOVIMIENTO ROTACIONAL Y LINEAL DE UNA MQUINA DE DOBLE INYECCIN2014

DOCUMENTO: SISTEMA DE MOVIMIENTO ROTACIONAL Y LINEAL DE UNA MQUINA INYECTORA DE DOBLE INYECCINFECHA DE EDICICIN:

NOVIEMBRE 2014

PROPIETARIOS:

VARGAS, SAID. TRELLES, EDYAR. ROBLES, FELIPE. MORICE, RITA. MASCARIN, EVELYN.

Contenido

1. Objetivo general

2. Objetivos especficos

3. Alcance

4. Antecedentes

5. Normas y referencias

5.1 Normas

5.2 Programas de calculo

5.3 Bibliografa 6. Definiciones y abreviaturas

7. Requisito del diseo

8. Anlisis de solucin

8.1 Dado

8.2 Placa giratoria

8.3 Sistema de Movimiento rotacional

8.4 Movimiento axial

8.5 Bancada general

8.6 Guas y cola de milano

9. Resultados finales

9.1 Resultado general

9.2 Resultado en el eje del pion

10. Anexos

10.1 Clculos

10.1.1 dado

10.1.2 plato giratorio

10.1.3 sistema de engranaje

10.1.4 Eje de pion

10.1.5 eje de corona

10.1.6 Brida

10.1.7 Acoples

10.1.8 Sistema hidraulico

10.1.9 Tornillos y pernos1. OBJETIVO GENERALLograr que la mquina moldeadora de doble inyeccin d un giro de 180 en 0.8 segundos y tenga un desplazamiento lineal de 250mm.

2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar un sistema de rotacin que permita el giro del dado y la placa a 180 en 0.8s.

Encontrar un sistema de movimiento axial para desplazar el dado mvil del dado fijo 250mm.

Disear un plato giratorio que cumplan con las condiciones del dado mximo y tenga capacidad para diferentes dados.

Designar ejes que proporcionen transmisibilidad de potencia, movimiento rotacional, que transmita carga axial y que logren sostener el peso del plato y el dado. 3. ALCANCE

El proyecto tiene como fin disear una maquina moldeadora de doble inyeccin para la compaa FORTUNE 500 quien fabrica productos de plsticos para el consumidor en cantidades muy altas. 4. ANTECEDENTESLa compaa FORTUNE 500 ha solicitado la fabricacin de una parte de una maquina moldeadora de doble inyeccin, para la fabricacin de productos de plsticos. La mquina moldeadora de doble inyeccin requiere un dado giratorio y dos conjuntos de cavidades por cada pieza en el dado. La primera porcin de la pieza terminada se moldea con el material A con el dado en la posicin 1. Luego se abre el dado y una mitad se gira 180 a la posicin 2, con la parte moldeada todava en su cavidad. El dado se cierra de nuevo, colocando la porcin I de la parte contra la segunda cavidad. Entonces se inyecta el material B a la porcin I, creando la porcin II de la parte. El dado se abre otra vez y se expulsa el ensamble terminado.Se ha solicitado disear el mecanismo giratorio del dado sujeto a la mquina de moldeo y a la cual se le pueden fijar cualquier nmero de dados diferentes. Lo que se requiere es un diseo detallado de una mquina giratoria de moldeo que incluya placa giratoria, ejes, cuas, tren de engranes, cojinetes, acoplamientos, estructura y elementos del montaje (sujetadores)5. NORMAS Y REFERENCIAS5.1. NORMAS

DIN E 16780 ISO 4018

ANSI AGMA 19.1 TDO JRDC 140100

ANSI AGMA 24.2 TB 80TB032

ANSI AGMA 18.2 NIA (2/25)

ANSI AFMA 19.1 TS

DIN ISO 6020

ISO 355 ANSI/ABMA:19-1

ANSI/AGMA 2001-D04:2005 ISO 2491

ISO 2901 DIN E 16 750

5.2. PROGRAMAS DE CALCULOS

INVENTOR AUTODESK FLUIDSIM CRITERIO DE GERBER

CRITERIO DE GOODMAN MODIFICADO

5.3. BIBLIOGRAFA

I. DISEO EN INGENIERA MECNICA DE SHIGLEY. RICHARD G. BUDYNAS Y J. KEITH NISBETT. OCTAVA EDICIN. MCGRAWW-HILL/INTERAMERICANA, 2008.II. DISEO DE MAQUINAS, UN ENFOQUE INTEGRADO. ROBERT L. NORTON. CUARTO EDICIN. PEARSON-EDUCATION/PRENTICE HALL, 2011.III. FABRICACIN DE MOLDES DE INYECCIN DE PLSTICO CON BASE EN SISTEMAS CNC Y CAD-CAM. TESINA. ALFARO M. JOS LUIS, ALTAMIRANO S. ALFREDO, CORREO M. JULIO CESAR, MARTNEZ T. AALFREDO, PEALOZA. CH. ERIKA. INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL. 2009IV. FRIEDRICH JOHANNABER. INJECTION MOLDING MACHINES. PP. 132-220. HANSER.V. MIGUEL ANGEL GOMEZ GONZALEZ. 6. DEFICIONES Y ABREVIATURAS a) FLUIDSIM-H: Es potente programa de la firma FESTO que permite disear circuitos hidrulicos, contenidos de la pantalla, biblioteca de elementos hidrulicos.

b) CILINDRO HIDRULICO DE DOBLE EFECTO: son actuadores mecnicos que son usados para dar una fuerza a travs de un recorrido lineal.

c) VLVULA 3X4: Dispositivo que permite el paso de un fluido dentro de un sistema. 3X4 es indicativo de 3 recamaras con 4 opciones de entrada o salida.

d) VLVULA ANTIRRETORNO: Dispositivo que evita el retorno del fluido dentro de la lnea hidrulica.

e) VLVULA REGULADORA DE PRESIN: Este tipo de vlvulas funciona cerrando la salida de agua a presin. Esto provoca que la bomba no ejerza presin y que el motor trabaje sin carga.

f) GRUPO MOTRIZ: Sistema comprendido por bomba, reservorio, servomotor y manmetro.

g) REL: Funciona como un interruptor controlado por un circuito elctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes.

h) SOLENOIDE: Dispositivo elctrico encargado de activar la vlvula, una vez recibida la seal de rel.

i) INTERRUPTOR DE ALIMENTACIN MAGNTICA: Es accionado mediante la banderilla del cilindro hidrulico al llegar al fin de la carrera, permitiendo la conexin con el solenoide de desconexin de la vlvula.

j) OBTURADOR: Interruptor encargado de cerrar el circuito para mandar la seal al siguiente dispositivo.

k) DADO: Molde utilizado para inyectar el plstico y hacer la pieza o ensamble que se desea. l) COLA DE MILANO: es una junta de entrecierre muy fuerte que se emplea frecuentemente como guas angulares. Se utilizan para aplicaciones de grandes cargas y casos donde se requiere un comportamiento amortiguador.7. REQUISITO DEL DISEO

Dado mximo: 910x700x326 mm, a lo largo de su eje de rotacin horizontal.

El dado junto a la placa giratoria debe girar 180 en 0.8 segundos. La placa y el dado deben permanecer estacionara entre 0.5 a 2 segundos, despus gira 180 en 0.8 segundos.

La mquina trabajara 24 horas diarias, 7 das a la semana, 50 semanas al ao. Se solicita una vida de 10 aos sin ninguna falla. La placa giratoria no debe flexionarse ms de 0.025 mm con el dado colocado.

Las vibraciones del dado deberan minimizarse al detenerse para evitar retrasos en el cierre del molde.

La longitud del montaje en direccin axial se debera mantener tan pequea como sea prctica.

Movimiento de apertura/cierre del dado ser mximo de 250mm.

Movimiento axial proporcionado por un cilindro hidrulico. Un servomotor impulsa la rotacin por medio de un conjunto de reduccin de engranes de su diseo. 8. ANALISS DE SOLUCIONES

En este captulo se analiza las alternativas ms relevantes que afectan directamente la funcionabilidad y vida de la mquina. La seleccin de los componentes y dimensiones se escogern dependiendo de su funcionabilidad y rendimiento. 8.1. DADOEl dado en una maquina moldeadora de plstico es el molde donde es inyectado el polmero con el fin de crear una pieza o ensamble. La eleccin del dado mximo fue de vital importancia ya que defini el torque mximo que se le aplic a la mquina para su movimiento rotacional, debido al momento de inercia. Existen diferentes tipos de dados, los cuales son: dado de placa doble, dado de mordaza, dado de extraccin por segmento, dado de tres placas, dado sndwich, dado de canal caliente. El dado ms tradicional a utilizar es el dado de placa doble. A continuacin se ilustrara los diferentes tipos de dados.

FIGURA 1. DADO DE PLACA DOBLE.

Figura 2. DADO DE TRES PLACAS.

FIGURA 3. DADO DE MORDAZAFIGURA 4. DADO DE EXTRACCIN POR SEGMENTO El dado escogido para hacer los anlisis de potencia y movimiento fue el dado de placa doble, por ser el dado ms comercial y ms sencillo.

FIGURA 5. DADO SWNDWICH

FIGURA 6. DADO DE COLADA CALIENTE

8.2. PLACA GIRATORIALa placa giratoria se podra definir como la base que sostiene el dado. Puede constar con una geometra rectangular o circular. En la cara frontal tiene diversos agujeros, para colar distintos dados.

Se eligi la placa con geometra circular ya que su momento de inercia es menor a una de geometra rectangular.8.3. SISTEMA DE MOVIMIENTO ROTACIONAL

El cliente solicito un sistema de movimiento rotacional y de potencia por medio de reduccin de engranes. Las configuraciones de los engranajes cambian segn las necesidades que se tengan. El sistema rotacional de la maquina debe constar con un ensamblado en direccin horizontal que ocupe el espacio necesario, y que logre mover el plato giratorio en 180. Las configuraciones de transmisin de potencia tomadas en cuenta para este proyecto fueron las siguientes:

CAJA REDUCTORA DE MULTIETAPAS: Sirve para reducir la velocidad o el torque de un sistema de rotacin. REDUCCIN MEDIANTE TREN EPICICLICO: Consisten en uno o ms engranajes externos o planetas que rotan sobre un engranaje central o sol. TRANSMISIN POR ELEMENTOS FLEXIBES: permiten la transmisin de potencia mecnica a grandes distancias. Tiene una menor presin de montaje que un engrane y un costo inferior.Debido a que el fabricante solicita un sistema de rotacin por reduccin de engranajes queda descartada la opcin de trasmisin por elementos flexibles. Soluciones segn configuracin:

CAJA REDUCTORA DE MULTIETAPAS: La placa giratoria tendra un eje que conectara a la caja reductora est se colocara encima de una bancada, tendr que hacerse un acople para poder que soporte la fuerza axial producida por el movimiento. El riesgo de esta seleccin sera la flexin en el eje debido a que el plato y el pin estaran en canto libre. TRENES DE ENGRANES EPICICLICOS: La placa giratoria ira acoplada a la corona por medio de un eje, este eje tendra que tener una chaveta, brida o ranura. El eje de la corona brindara el movimiento rotacional y soportara el peso de la corona y el plato. Adems se necesitara otro eje para colocarlo en el pin el cual brindara la potencia al sistema. Al igual que el eje de la corona este debe constar con una chaveta, brida o ranura. El eje del pin ira acoplado a un servomotor que brindara la potencia. Es necesario hacer un acople entre el eje de la corona y el sistema hidrulico que proporciona el movimiento axial.

El movimiento rotacional requiere un precisin alta, por esto se toma la decisin de un sistema de engranes. Por complejidad del sistema de tren epicclico se toma la decisin de hacer el sistema de reduccin mediante un tren de 1 etapa. El plato solo tiene movimientos en intervalos de tiempo cortos y a bajas velocidades. . Por lo tanto, se opta por la solucin de engranes rectos.

8.4. MOVIMIENTO AXIALSe requiere de un mtodo que sea eficaz y aporte en su mayora todo lo necesario para lograr la accin final que es acoplar el dado con la parte inyectora del sistema, y garantizar la fuerza, presin y tiempo de prensado.Se contempl la idea de un sistema neumtico; el mismo es fcil de instalar, garantiza rapidez de accionamiento, no contaminante, ya que hace uso de aire, pero su principal defecto es que trabaja a bajas presiones, y no es compatible con circuitos elctricos. El segundo sistema fue un tornillo sin fin con servomotor como alimentador de potencia; se descart luego de revisar lo ya previsto que fue la adiccin de un servomotor para la parte giratoria del dado, lo cual contemplaba dos servomotores.

La idea final y la utilizada fue el mecanismo hidrulico porque aseguraba la presin necesaria, da un recorrido lento y es compatible con circuitos elctricos para su automatizacin.8.5. BANCADA GENERAL

La bancada es el soporte sostiene a la estructura en general. Se constituye de la bancada para el engranaje y los ejes, bancada para el pistn hidrulico y la bancada de unin.

La bancada para el engranaje y los ejes fue la bancada con ms inconveniente debido al sistema de agarre del eje y la corona. La bancada del pistn y la de unin fueron escogidas tomando en cuenta la geometra de los componentes.

8.6. GUAS Y COLA DE MILANO

Las guas sirven para mantener balanceada la estructura mvil compuesta por: el dado, plato, engranajes, ejes y bancada general. Las guas van desde el extremo donde va ubicado el sistema hidrulico hasta el extremo donde se encuentra la parte fija de la mquina. La eleccin de las guas fue sencilla, se buscaron diferentes guas en los catlogos SKF, se realizaron los clculos pertinentes y se escogi la ms adecuada. La cola de milano se emplea para poder trasladar la estructura mvil, y es una junta de entrecierre muy fuerte que se emplea frecuentemente como guas angulares. Aparte que le facilita el movimiento lineal a la maquina le permite tener un sistema de amortiguamiento lo que prolongara la vida de la misma. La escogencia de la cola de milano fue similar a las de las guas. Se buscaron diferentes opciones en catalogos SKF, se realizaron clculos necesarios y se escogi a la que ms cumpla las necesidades.

9. RESULTADOS FINALESEl cliente solicit el diseo de la parte mvil de una mquina de doble inyeccin que tuviese capacidad para mltiples dados. Hizo nfasis que tena que girar 180 en 0.8 segundos y desplazarse 250mm, tan solo puede detenerse de 0.5 a 2 segundos. Las reas crticas del diseo se establecen en obtener el par de torsin, la velocidad requerida de giro y la fuerza de empuje axial.

9.1. RESULTADO GENERAL

El dado establecido como mximo tiene las dimensiones solicitada por el cliente (910mm x 700mm x 326mm), y es de modelo de doble placa. El modelo doble placa se eligi por ser el dado ms sencillo y de mayor uso comercial. La masa y el momento de inercia del dado fue la informacin clave para estimar el torque aplicado para girar el plato y el dado. La masa y el momento de inercia dependen del material, dimensiones y geometra. Considerando que los materiales para los dados deben tener una alta resistencia al desgaste y una buena tenacidad se escogi un material de acero integral templado (DIN X155CRMoV12-1). La masa y el momento de inercia fueron calculados por medio de INVENTOR.

Debido a la limitacin del fabricante el ensamble en la direccin axial debe permanecer tan pequeo como sea prctico, es por esto que se decide realizar la transmisin desde un pin a un engrane que ser fabricado sobre el plato giratorio. El sistema de engrane es un sistema de reduccin mediante un tren de 1 etapa. El plato solo tiene movimiento de tiempo cortos y a bajas velocidades, por lo tanto se opta por la solucin de engranes rectos.

El eje del pin esta acoplado a un servomotor. El torque es aplicado por el servomotor, si el dado se cambia el torque aplicado tambin, el servomotor se encarga de regular el torque cuando este cambie. El servomotor que se escogi tiene serie IP23 modelo H160 con potencia nominal 58kW.El torque es transmitido a la corona la cual le da movimiento al eje loco. El eje loco proporciona rotacin, sujecin de la corona y transmite la carga axial proporcionada por el cilindro hidrulico. Est sujeto a la corona por medio de una brida roscada. La opcin de un tornillo retenedor o de una arandela elstica de retencin, que son las opciones comunes para estas necesidades, es obviada a razn de que la superficie del plato debe ser lisa con el extremo del eje, por tal motivo, estos elementos no fueron seleccionados.El eje loco debe ir conectado al el vstago del pistn hidrulico. Esta configuracin se determin para transmitir la carga axial que se necesita para la presin de clamping o moldeo, y para producir el movimiento lineal requerido. El acople entre el eje y el vstago se determin por un diseo de acople flexible, que permita rotacin relativa entre el eje y el vstago. La opcin de un rodamiento combinado para cumplir este proceso fue obviada ya que para el tamao de los elementos que fueron utilizados, no existe una dimensin comercial, y el solicitar un rodamiento a medida aumentara el costo abruptamente de la mquina. La ventaja de este acople es que se puede ensamblar y permitir el mantenimiento o cambio de cualquier rodamiento que este defectuoso. Este acople flexible est compuesto por un juego de dos rodamientos axiales de bolas y un rodamiento radial de agujas.

Se tom la decisin de trabajar con un sistema hidrulico, porque era el que ms se acercaba a los requerimientos de movimiento axial que satisfaca las especificaciones de la mquina.

Los parmetros que ayudaron a la decisin del circuito hidrulico fueron: una presin de 10MPa, recorrido de 250mm, fuerza de clamping en un rango de 90 y 120 kN, tiempo de 0.5 a 2 segundos.

Se dispuso usar pistones para el accionamiento de la mquina, ya que aseguraba altas presiones, velocidades lentas, mayor durabilidad del sistema en s; se tuvo en cuenta la idea de tornillo sin fin con servomecanismo como accionamiento, pero se descart ya que se estaba utilizando un servomotor para el giro del dado y complicaba el acople entre el eje giratorio y el sistema ya mencionado.Las guas evitan el des lineamiento en el movimiento axial. Son guas estandarizadas del catlogo SKF con cojinetes de movimiento lineal, pueden llegar a tener una longitud de 6m.

La Cola de Milano es un riel que se coloca en la parte inferior de la bancada de unin, este le facilita el desplazamiento axial al pistn, la Cola de Milano no solo facilita el movimiento sino que tambin sirve como amortiguador del sistema a la hora del dado mvil tocar con el dado fijo.

9.2. RESULTADO DE EJE DEL PIN

Eje de pin es el eje de entrada que va acoplado al servomotor esta pieza es crtica. A travs de este eje estar sometido al torque de entrada y a flexin debido al voladizo del pin. El eje se disea para que tenga un fcil montaje con los cojinetes y el pin. Se debe tener muy en cuenta las deflexiones que se darn debido a la configuracin de ensamble.

Como opcin de acople entre el eje y el pin, se tiene un acople usando cuas o usando un eje ranurado. Las cuas son excelentes acoplamientos desmontables, si sufren daos se pueden remplazar, funcionan a bajo torques. Los ejes ranurado, se utilizan cuando los torques a transmitir son mayores a los manejados por las cuas. Son prcticamente cuas integradas al eje que borden el exterior del eje y el interior del pin a acoplar. Tienen una gran ventaja sobre las cuas como: la resistencia mxima en la raz del diente, la precisin en la forma del diente debido al uso de cortadores estndar y el buen acabado de maquinado superficial. Adems, permiten grandes movimientos axiales entre el eje y el pin, al mismo tiempo que transmite torque.

Como se manejan grandes torques, y se considera un posible desalineamiento debido a la fuerza de empuje axial en el sistema, se escoge trabajar con un eje ranurado.10. ANEXOS

10.1. CALCULOS

10.1.1. DADODatos dados por el cliente:

Largo: 700 mm

Alto: 910 mm

Ancho: 326 mm

Segn la norma -DIN E 16780 el material utilizado debe tener buena resistencia a la dureza y buena tenacidad. Los aceros de temple integral son ideales para la creacin del dado. El dado utilizado en esta maquina esta hecho de acero DIN X155CRMoV12-1.

Y sus propiedades fsicas son:

FIGURA 7. PROPIEDADES FISICAS DEL DADO OBTENIDAS EN INVENTOR.

10.1.2. PLATO GIRATORIO

Las medidas del plato giratorio se obtuvieron por iteracin. Haciendo diferentes anlisis en inventor hasta que obtuviramos las dimensiones adecuadas. El plato giratorio est construido encima de la corona.

Dimensiones: Dimetro: 1200 mm Espesor: 80 mm 20 agujeros (sus posiciones y dimensiones se presentan en los planos)10.1.3. SISTEMA DE ENGRANAJEPotencia del motor:

Como requisito se desea que el plato gire 180 en 0.8 s. El plato se mover a velocidad constante por lo tanto:

La inercia rotacional a vencer por el servomotor esta principalmente regida por el dado y el plato coronado. Para el plato coronado se tomaron como referencias medidas de platos existentes. Igualmente, el dado se consider inicialmente como un cubo msico de acero tpico para esa aplicacin (DIN X155CRMoV12-1).

Dando una inercia Rotacional de:

Como punto importante se considera vencer la inercia del sistema en 0,1 s. Con esto se obtiene una aceleracin para vencer la inercia. Acelerando el sistema de 0 a en 0,1 s. Para luego moverse a velocidad constante.

Ya teniendo una velocidad y torque inicial se puede obtener una potencia:

Con estos valores se iniciaron los clculos del sistema de rotacin. Se pudo definir un ancho de cara para el engrane y el pin como la relacin de transmisin.

Cuando se defini unas dimensiones y material para el dado se recalculo los valores de potencia y torque quedando como los valores ms ptimos:

H= 57 kW

T= 14 514,96 N m

ENGRANES

Materiales:

Pin: Acero 14NiCr18 Endurecido superficialmente

Plato coronado: Acero 14NiCr18 Endurecido superficialmente

Propiedades del Material:

Esfuerzo Permisible a la flexin: 483 MPa

Esfuerzo Permisible al contacto: 1550 MPa

Mdulo de elasticidad: 206000 MPa

Mdulo de Poisson: 0.3

FIGURA 8. ANALISIS DE ENGRANES EN INVENTORFactores de seguridad:

Para la flexin:

Pin: Kn=4,196

Corona: Kn =5,680

Para el contacto:

Pin: Kf= 1.426

Engrane: Kf=1.574

10.1.4. EJE DEL PIN

Factores de seguridad a la fatiga y a la fluencia

El anlisis se realiza en los puntos ms crticos del eje

FIGURA 9. PLANO DEL EJE DEL PINDatos:

MATERIAL AISI 1095 HR

Sut= 830 MPa Syt= 460 MPa

Se= 0.5 Sut= 415 MPa Sut 1400 MPa

Confiabilidad de 99.9%

Resistencia a la fatiga

ED. Goodman

PUNTO A

Tm= 2254 , Ma= 1058.04 Factores de sensibilidad a la muesca

Tensin

(Kf)1.72D=85 mm

d=75 mmr/d= 0.053

q=0.85

Torsin (Kfs)1.33D/d=1.13

qs=0.83

Factores de Marn

Factor Observaciones

Factor de superficie Kaa Sutb0.46Material laminado en caliente

a= 57.7 MPa b= -0.718

Factor de tamao Kb1.51d-0.1570.76751 mm