Una solución práctica para la rectificadora de interiores OVERBECK 400 IR SCHLEIFMASCHINEN

Resumen

El trabajo aborda la problemática de identificar y resolver las causas que provocaron que la rectificadora de interiores OVERBECK 400 IR SCHLEIFMASCHINEN, utilizada para la rectificación de anillos de estirado y de embutido de latas para el envase de cervezas, refrescos y jugos (ENVAL), alcanzara amplitudes de vibraciones no admisibles para la gama de altas velocidades de rotación, trayendo consigo limitaciones en el grado de acabado superficial requerido en los anillos. Con un vibrómetro se realizaron varias mediciones del valor rms de la amplitud de la velocidad de las vibraciones, a partir del análisis de los datos registrados se diagnóstico que la fuerza excitadora provenía de un desbalance másico de fabricación del sistema husillo-plato, a partir del diagnóstico se determinó cuántas debían ser las vueltas de apriete en el montaje del husillo y se procedió a su ejecución, Se llegó a la conclusión que al realizar el montaje del cabezal porta piezas es necesario tener en cuenta la característica de defecto existente, por lo cual siempre debe ser montada en una única posición respecto al husillo de la máquina con un apriete entre ½ y ¾ de vueltas, lo que garantiza que los niveles vibratorios estén dentro de los niveles permisibles recomendados por el fabricante. En la actualidad, dicho procedimiento de montaje es el utilizado.

Introducción

La vibración es, en general, una forma de energía disipada y en muchos casos inconveniente Es la variación de la configuración de un sistema con respecto al tiempo, alrededor de una posición de equilibrio, ésta puede ser mecánica, eléctrica, electromagnética, acústica o térmica, según la naturaleza del sistema.

El desequilibrio (o desbalance) de elementos estructurales en rotación provoca vibraciones en las máquinas rotatorias en general. Este desequilibrio puede generarse por diferentes anomalías o defectos, los cuales pueden ser por causa de: diseño, construcción o ensamblaje, materiales usados, desgaste, acumulación de suciedades y pérdida de material.

El desequilibrado de un rotor surge debido, esencialmente, a la no coincidencia del eje de rotación con el "eje principal de inercia", siendo la causa fundamental de ello la presencia de uno o varios de los defectos mencionados.

En el proceso de conformado de las latas de cerveza se utilizan máquinas que en su construcción usan anillos de estirado y de embutido. Para mantener la rugosidad de la superficie de los anillos se utilizan las rectificadoras de interiores OVERBECK 400 IR SCHLEIFMASCHINEN del tipo 400 IR-MC, del año 1994, de fabricación alemana.

Esta máquina herramienta es una rectificadora de interiores, con mando de control numérico que realiza el rectificado de los anillos con una muela abrasiva de diamante, de grano D10 y concentración C100; la precisión es de 0.001mm y el acabado de 0.4 Ra. La máquina trabaja en un régimen de18 a 20 horas diarias para mantener listos los anillos que garantizan la continuidad y estabilidad del flujo productivo. Se presentaba un problema de vibraciones en el cabezal del husillo de trabajo que restringía la gama de altas velocidades, por lo que era necesario trabajar con velocidades por debajo de las 180 rpm, para tratar de contrarrestar las vibraciones que se originaban, lo que limitaba un poco el grado de acabado superficial que se requería.

Los datos técnicos de la máquina son:

Máximo diámetro de la pieza a trabajar. 200 mm.

Máxima longitud de la pieza a trabajar 250 mm

Máxima longitud del orificio a trabajar 160 mm

Diámetros del orificio a trabajar 0.8-140 mm

Peso de la pieza 20 Kg

Altura de centros 140 mm

Velocidad del husillo de trabajo de la pieza 20-900 rpm.

Ángulo de rotación del cabezal de trabajo de la pieza -10º a +90º

Orificio del cono del cabezal de trabajo MK 5

Movimiento de la mesa hidráulica 0-6 m/min.

Velocidad del husillo de trabajo 8000-75000 rpm

Avance paso a paso 0.001-0.02 mm

Avance continuo 0-16 mm/min.

Una graduación de la manivela 0.001mm

Espacio requerido 2500x3200mm

Potencia requerida 5.5 KW

Peso neto 20000 N

Vibraciones recomendadas por el fabricante:

Sin ningún aditamento 0.45 mm/seg

Con aditamento para rectificar exterior 0.71 mm/seg

Con aditamento para rectificar interior 1.5 mm/seg.

Desarrollo

Para la realización del trabajo se utilizo el vibrómetro 2503 de la firma Bruel&Kjaer, realizando mediciones del valor rms de la amplitud de la velocidad de la vibraciones en dos de sus cojinetes de apoyo (Ra y Rb), ver figura 1. El registro de datos se realizó para diferentes frecuencias de rotación, para las cuales está diseñada la máquina herramienta.

Registro de las mediciones

Mediciones realizadas antes de desmontar el plato (cabezal porta piezas) Tabla 1:

Mediciones realizadas sin el plato Tabla 2:

Para el montaje del plato nuevamente en la máquina, se colocó a 180º con respecto a la posición que anteriormente ocupaba en el husillo, es por ello que los valores de las primeras mediciones con el plato montado varían con respecto a las últimas realizadas.

Mediciones realizadas solamente en el rodamiento trasero (Punto de apoyo Ra) con plato montado defasado a 180º respecto a la posición inicial y con diferentes vueltas de apriete.

Tabla 3

Donde:

RT: Rodamiento trasero (punto de apoyo Ra. Ver figura 1)

RD: Rodamiento delantero (punto de apoyo Rb. Ver figura 1)

H: Dirección horizontal

V: Dirección vertical.

A: Dirección axial.

Nota: Sólo se consideró en esta última variante la medición en el RT por ser éste el punto de mayor excitación.

Análisis de los datos registrados

Los datos disponibles eran los valores de los niveles globales de la amplitud de la velocidad de las vibraciones para su valor RMS y no se disponía de un analizador de frecuencias para determinar con mayor exactitud las causas de las fuerzas excitadoras de las vibraciones.

Al analizar la Tabla 1, se puede observar que la mayor amplitud de los valores efectivos de las vibraciones (rms) en la máquina se corresponde a la frecuencia de rotación mayor, es decir, 900 RPM, en el apoyo Ra (rodamiento trasero) en la dirección horizontal de las mediciones. Además, se puede notar que los valores horizontales en ambos puntos de apoyo y para diferentes frecuencias de rotación son superiores a los valores verticales y por otro lado al parecer existía una relación entre la frecuencia de rotación y el valor de las amplitudes de las vibraciones, ya que al disminuir las frecuencias de rotación disminuyen los niveles vibratorios.

Con este análisis en mente, considerando que la rigidez de los puntos de apoyo en la dirección vertical es superior a la rigidez en la dirección horizontal, que existía una relación entre los valores de las amplitudes de las vibraciones y las frecuencias de rotación, y que las fuerzas excitadoras de desbalance másico tienen una relación cuadrática con la frecuencia de rotación, se sospechó que la fuerza excitadora podía provenir de un desbalance másico; por lo cual se decidió desmontar el plato y realizar las mediciones de nuevo, ver Tabla 2.

Al analizar de forma comparativa los valores de las tablas 1 y 2 para la frecuencia de rotación crítica, o sea, 900 RPM, se nota que los valores disminuyen considerablemente, con lo cual se podía suponer que las fuerzas excitadoras que provocaban las vibraciones provenían del cabezal porta piezas (plato).

Con el análisis realizado se había llegado a la conclusión que la fuerza excitadora la provocaba el cabezal porta piezas (plato) y que además ésta podía tener un carácter de desbalance másico a causa de su diseño y fabricación. Para comprobar la anterior suposición se decidió montar el plato desfasado en 180º respecto a su posición inicial y repetir las mediciones, como se muestra en la Tabla 3.

Al montar el plato para su ajuste es necesario apretarlo, lo que provoca que se vuelva a desfasar respecto a su posición original de montaje, por lo cual se decidió realizar mediciones para diferentes niveles de apriete, como se muestra en la Tabla 3.

Del análisis de la Tabla 3 se nota que al ser montado el plato de nuevo la amplitud de las vibraciones aumentó, pero no alcanzaron los niveles iniciales, ya que estaba desfasado el plato en 180º respecto a su posición inicial y además para diferentes vueltas de apriete las amplitudes varían. Esto corroboró la hipótesis inicial de que el cabezal porta piezas está construido de forma excéntrica, lo que provoca la aparición de fuerzas excitadoras que aumentan las amplitudes de las vibraciones y también que un apriete entre ½ y ¾ de vueltas es el más adecuado para la disminución de la amplitud de las vibraciones.

Es de notar que las mayores excitaciones se registraron en el rodamiento trasero (Ra), es decir, el más alejado del punto de montaje del cabezal porta piezas. Esto está dado por las características constructivas del usillo porta cabezal, el cual fue estudiado en detalle, desmontado, pesado cada uno de los elementos y realizados los cálculos estáticos de las reacciones en cada uno de los puntos de apoyo, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1

Donde

Q – Carga distribuida del árbol exterior e interior

T _ Tensión de la correa del sistema de transmisión

P polea – Masa de polea de transmisión

P pm – Masa del plato (cabezal porta piezas)

Valoración económica y aporte social

Para la realización del trabajo se utilizó el vibrómetro 2503 de la firma Bruel&Kjaer, que es un medio básico de la Universidad de Holguin, producto de un proyecto de colaboración con la Universidad de Cataluña. El tiempo de utilización del mismo para realizar el trabajo fue de aproximadamente 8 horas, la taza de amortización anual es de 310 USD, por lo que la taza horaria es de 0,036 USD/h. En la realización de mediciones, cálculos y análisis participaron 2 especialistas, uno de la empresa con una tarifa horaria de 2.85 CUP /horas y un especialista de la Universidad con tarifa horaria de 4.00 CUP /horas

Costo por amortización de equipos = 8 x 0,036 = 0,30 USD

Costo de mano de obra en CUP = 8 (2.85 + 4.00) = 54.80 CUP

El trabajo realizado evitó la necesidad de comprar un nuevo plato soporte para la rectificadora (que es de importación), dicho plato tiene un precio aproximado en el mercado actual de 1800,00 USD. Además, como resultado inmediato se restablecieron los parámetros de eficiencia de la rectificadora en más de un 15%. Es importante conocer que el precio de una rectificadora en el mercado mundial actualmente asciende a más de 400 000,00 USD. Por otro lado, en necesario tener en cuenta también que la pérdida de eficiencia de la rectificadora traía paradas continuas del proceso productivo con sus consecuencias económicas y sociales.

Conclusiones

Al realizar el montaje del cabezal porta piezas de la rectificadora de interiores OVERBECK 400 IR SCHLEIFMASCHINEN es necesario tener en cuenta esta característica de defecto existente, por lo cual siempre debe ser montada en una única posición respecto al husillo con un apriete entre ½ y ¾ vueltas, lo que garantiza que los niveles vibratorios estén dentro de los niveles permisibles recomendados por el fabricante.

Recomendaciones

Se recomienda a los especialistas de la producción que trabajan con rectificadoras del tipo OVERBECK 400 IR SCHLEIFMASCHINEN o similares tener en cuenta las conclusiones a que se llegó en este trabajo.

Bibliografía

• 1. Bruel&Kjaer. Frecuency Analysis Manual, 1998.

• 2. Eshieman R. L. Machinery. Diagnostic and your FTT, Sound and vibration, April 1993.

• 3. French A. Vibraciones y Ondas, Editorial Reverte, 1990.

• 4. Nasar S. A. Handbook of electric machines, Noise and Vibration, 1990.

• 5. Thomson W. Theory of vibration with applications. Prentice Hall, 1988.

Datos de los autores

Nombres y Apellidos: Jesús de Soto Ávila.

• Ocupación: Especial Superior mecànico

• Nivel de Escolaridad: Universitario

• Nombres y Apellidos: Carlos Batista Rodriguez

• Ocupación: Profesor

• Nivel de Escolaridad: Universitario

Carta de los autores

Autor:

Ing. Jesús De Soto Ávila

Dr.C. Ing. Carlos Batista. Rodríguez

Holguín

2011