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• Carlos Sanches

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UNIDAD 01 Ing. Marco Antonio Salas Marín EPIM – UNSAAC 2018 - I

CONTENIDO • • • •

Uniones empernadas Uniones soldadas Tornillo de potencia Resortes

CAPITULO I: ELEMENTOS DE MÁQUINA

MAQUINAS Y MECANISMOS • MAQUINA • Las máquinas son dispositivos que se utilizan al modificar, transmitir y dirigir fuerzas para llevar a cabo un objetivo especifico.

MAQUINAS Y MECANISMOS • MECANISMO • Un mecanismo es una parte mecánica de una máquina, cuya función es transmitir movimiento y fuerza de una fuente de potencia a una salida. Es el corazón de la máquina.

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO Consideraciones generales de diseño • Tipos de carga • Cinemática de la máquina • Materiales • Tamaño y forma • Lubricación • Economía

• • • • • •

Partes STD Seguridad Trabajos de taller Producción Costos de fabricación Ensamblado

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO • Factor de diseño Esfuerzo máximo n= Esfuerzo de trabajo o de diseño Esfuerzo de fluencia n= (DUCTIL) Esfuerzo de trabajo o de diseño Esfuerzo último n= (FRAGIL) Esfuerzo de trabajo o de diseño

CAPITULO II: UNIONES EMPERNADAS CAP I: UNIONES EMPERNADAS

TERMINOLOGIA DE ROSCAS DE TORNILLO • En la realidad las roscas no son agudas.

PERFIL BÁSICO DE ROSCAS MÉTRICAS • Considerar H = 0.866 x paso

OTROS TIPOS DE ROSCAS • Rosca cuadrada – Rosca ACME

DENOMINACION ESTANDAR • Para roscas unificadas, se enuncia diámetro nominal (R raíz), # de roscas y la serie: ¾ plg – 18 UNRF • Para roscas métricas, se enuncia el diámetro y el paso en mm:

M12 x 1.75 mm

DIÁMETROS Y ÁREAS DE ROSCAS MÉTRICAS • Según norma ANSI B1.1-1974 y B18.3.1-1978

DIÁMETROS Y ÁREAS DE ROSCAS MÉTRICAS • Según norma ANSI B1.1-1974 y B18.3.1-1978

DIÁMETROS Y ÁREA DE ROSCAS UNIFICADAS DE TORNILLO • Según norma ANSI B1.1-1974

DIÁMETROS Y ÁREA DE ROSCAS UNIFICADAS DE TORNILLO • Según norma ANSI B1.1-1974

DIÁMETROS Y ÁREA DE ROSCAS ACME

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Desarrollo de una vuelta de la rosca: (a) al subir la carga (b) al bajar la carga

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Para elevar la carga

• Para bajar la carga

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Para elevar la carga (rosca cuadrada):

• Se requiere un torque que supere el efecto de fricción y que eleve la carga.

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Para bajar la carga (rosca cuadrada):

• Condición de autobloqueo:

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Eficiencia para elevar la carga • Si f = 0

MECÁNICA DEL TORNILLO DE POTENCIA • Para roscas ACME: NOTA: Considerar la fricción del collarín

PROBLEMA 01 En la conexión con pernos de la figura se usan pernos SAE grado 5. Los elementos son de acero AISI 1018 laminado en caliente. A la conexión se le aplica una carga cortante de tensión F = 4 000 lb. Determine el factor de seguridad para todos los modos de falla posible.

De acuerdo al tipo de acero AISI 1018 laminado en caliente se tiene que la resistencia a la fluencia. La resistencia mínima de fluencia de los pernos. Mediante la teoría de la energía de distorsión ,la resistencia al cortante corresponde a:

1er Modo.- Por el cortante de los pernos.

2do Modo.- Por el aplastamiento de los pernos

3er Modo.- Por el aplastamiento de los miembros.

4to Modo.- Por la tensión de los miembros

PROBLEMA 02 Una junta de traslape atornillada con pernos SAE grado 5, que une piezas de acero SAE 1040 estirado en frío, se muestra en la figura. Determine la carga cortante y de tensión F que puede aplicarse a esta junta, sí se especifican los siguientes factores de seguridad: Para cortante en pernos, 1.8; Para aplastamiento en pernos, 2.2; Para aplastamiento en piezas conectadas, 2.4; y Para tensión en dichos elementos,2.6.

Mediante la teoría de la energía de distorsión, la resistencia al cortante corresponde a:

PROBLEMA 03 La unión atornillada que se muestra en la figura está sometida a una carga cortante de tensión de 20 kips. Los pernos son SAE grado 5 y el material es acero estirado en frio AISI 1015. Determine el factor de seguridad de la conexión para todos los modos de falla posibles.

Mediante la teoría de la energía de distorsión, la resistencia al cortante corresponde a:

PROBLEMA 04 Determine la carga constante total en cada uno de los pernos de la unión que se aprecia en la figura, y calcule el esfuerzo cortante y el de aplastamiento que son significativos en los pernos. Calcule el momento de inercia de área de la placa de 8 mm, en una sección a través de los tres agujeros de perno, y evalúe el esfuerzo máximo por flexión en la citada placa.

PROBLEMA 01 Una gata de automóvil consta de un tornillo de potencia y una tuera. El automóvil se levanta girando el tornillo, el avance de la rosca es de 9mm, el diámetro de paso es de 22mm, la rosca es métrica, el coeficiente de fricción es de 0.10 en la rosca y cero en la otras partes. Se pide calcular: a) El par de torsión que se necesita para levantar un automóvil de 1 tonelada b) El par de torsión que se necesita para bajar un automóvil de 1 tonelada c) ¿Es autobloqueante?

PROBLEMA 02 Un tornillo de transmisión de cuadrada tiene un diámetro mayor de 4 mm con roscas dobles. proporcionan incluyen f = fc = 0.08, kN por tornillo.

potencia de rosca de 32 mm y un paso Los datos que se dc = 40 mm y F = 6.4

a) Encuentre la profundidad de la rosca, el ancho de rosca, el diámetro de paso, el diámetro menor y el avance. b) Determine el par de torsión necesario para elevar, bajar la carga y la eficiencia durante la elevación de la carga.

PROBLEMA 03 Una carga de 25kN se levanta por medio de dos tornillos de potencia de rosca ACME, con una velocidad mínima de 35mm/s y una potencia máxima de 1750W. Debido a las limitaciones de espacio, el diámetro del tornillo no debe ser mayor de 45mm, el coeficiente de fricción para la rosca y el collarín es 0.09; el diámetro medio del collarín es de 65mm. Si las carga se distribuyen uniformemente, seleccione el tamaño del tornillo que se debe usar y calcule su eficiencia.

SUJETADORES ROSCADOS • Los pernos y las tuercas convencionales generalmente usan roscas estándar, como métricas, ACME, etc.

CLASIFICACION DE SUJETADORES • PERNOS Y TORNILLOS PARA MÁQUINAS • ANSI establece que un perno está destinado a mantenerse estacionario y una tuerca produce un torque sobre éste para crear la unión, mientras que un tornillo está destinado a girar en un orificio con rosca o sin ella, aplicando un torque en su cabeza.

CLASIFICACION DE SUJETADORES • ESPÁRRAGOS • Un espárrago es un sujetador sin cabeza, roscado en ambos extremos, cuya finalidad es estar atornillado semipermanentemente por un lado en la mitad de un ensamble.

CLASIFICACION DE SUJETADORES • ESTILOS DE TORNILLOS DE MÁQUINAS

TUERCAS Y ARANDELAS • Básicas y de bloqueo

MANUFACTURA DE LAS ROSCAS • CORTADOR DE ROSCAS • Se pueden elaborar en tornos • Para alta producción se usan máquinas para tornillos • Aplicaciones ligeras y no críticas • Más débiles y menos costosas

MANUFACTURA DE LAS ROSCAS • ROLADO DE ROSCAS • Formado de roscas en frío a través de dados de acero endurecido • Material más duro y resistente • Aplicaciones con cargas críticas y de fatiga

JUNTAS CON EMPAQUES • Muy utilizados en sellos de presión, que aseguran la hermeticidad de la unión.

PROPIEDADES

PROPIEDADES

PROPIEDADES

SUJETADORES ROSCADOS RESUMEN DE CARGAS • • • •

Fs: carga de corte Ft: carga de tracción Ff: carga de fricción Fi: carga de ajuste inicial o apriete

FS Ff

FS Ff

CARGA PARA UN AJUSTE ADECUADO • Fuerza de tracción en el perno para que éste no tome la carga de corte (Fe)

• El perno se fijará con un ajuste de:

• Sy = Esfuerzo de fluencia del material del perno • μ = Factor de fricción entre las superficies en contacto, se puede tomar desde 0,2 a 0,35

CARGA PARA UN AJUSTE INADECUADO • Para esta situación, la carga equivalente de tracción será:

AREA DE ESFUERZO REQUERIDO • Fórmulas Seaton – Routhewhite

• db: diámetro nominal exterior

TORQUE DE AJUSTE • Se presentan dos casos:

• Equivalencia importante: N kg 420 MPa = 420 = 42 � 2 mm mm2

CARGA DE TRACCIÓN DIRECTA Ft

P

P

Ft

P Fti = n

CARGA PRODUCIDA POR FLEXIÓN P C1

Ft1 Ft2

C2

C3

Ft3 Fti

Ci

Fti =

M Ci i j=1 Cj 2

CARGA DE CORTE DIRECTO FS1 1

FS2 2

FS3 3

FSi i

Fsi = P n

CARGA DE CORTE PRODUCIDA POR TORSIÓN

Fsi =

TCi i 2 j=1 Cj

PROBLEMA 01 Un perno ISO M12 x 1.75, clase = 12.9 se usa para sujetar tres miembros como se observa en el boceto: El primer miembro es de hierro fundido, el segundo de acero de bajo carbono y el tercero de aluminio. El factor de seguridad para carga estática es 2.5. Las dimensiones se dan en milímetros, determine: a) La longitud total. La longitud roscada y la longitud roscada en la junta. b) La rigidez del perno y la junta usando un cono de 30° c) La precarga para conexiones permanentes. d) La carga estática máxima que el perno puede soportar.

PROBLEMA 04 La unión empernada de la figura soporta una carga F. Los seis pernos son M20 de paso fino, clase 8.8 con coeficiente de fricción μ = 0.25. Todas las dimensiones en mm Se pide calcular: a) La carga F para ajuste inadecuado b) La carga F para ajuste adecuado c) El torque de ajuste inicial

PROBLEMA 04

F

PROBLEMA 05 Para la unión atornillada con µ = 0.25, calcular la fuerza F, si los pernos son de rosca métrica M24 x 2, de acero clase SAE 5.8 aplicando todos los criterios usados. Todas las dimensiones en mm.

PROBLEMA 05 F

PROBLEMA 06 Determinar el diámetro de los pernos de acero ASTM A325, µ = 0.25. Todas las dimensiones en mm. P

P = 4800 kgf

CAP II: UNIONES SOLDADAS

PROCESOS DE SOLDADURA • Soldadura de arco eléctrico • Zona afectada por el calor (ZAC ó HAZ)

• Concentraciones de esfuerzos

TIPOS DE SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO • SHIELDED METAL ARC WELDING (SMAW)

TIPOS DE JUNTAS • A tope (butt joint)

• En T (T joint)

• De esquina (corner joint)

• De extremo (edge joint) • Traslapada (Lap joint)

TIPOS DE SOLDADURA • Filete (fillet) • Ranura CJP (groove)

• Tapón/ranura (plug/slot) • Ranura PJP

TIPOS DE SOLDADURA • Gargantas en uniones soldadas

ESPECIFICACIÓN DE LA SOLDADURA • Simbología para uniones soldadas Ángulo de ranura, ángulo incluido de avellanado para soldaduras de tapón Longitud de la soldadura Separación (espaciamiento de centro a centro) de las soldaduras

Slmbolo de acabado

Slmbolo de contorno Abertura de la ralz: profundidad del llenado en soldaduras de tapón y de ranura--� Tamaño de la soldadura de ranura----. Profundidad de preparación: tamaño o resistencia de ciertas soldaduras Especificació proceso u -------1� n, otra referencia

�

� Sfmbolo de soldaduras de campo

S (E)

,.... .._

R { >-----,-��i::------�� _

�-""T"---4-.1..J li Cl

Cola (se cuando omite no se usa referencia)

/

Sfmbolo básico de soldadura o referencia de

�� ...... (N) ._.., de puntos,

Número postes o proyección de soldaduras

Slmbolo de soldadura en todo el derredor

Linea de referencia

ESPECIFICACIÓN DE LA SOLDADURA • Simbología para uniones soldadas

ESPECIFICACIÓN DE LA SOLDADURA • Preparación de la junta

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE SOLDADURA

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE SOLDADURA

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE SOLDADURA

SOLDADURA DE FILETE

• he = w = pierna, cateto, leg • te = t = wcos45°

SOLDADURA DE FILETE • Las soldaduras de filete fallan por cortante en la sección mínima (garganta).

ESFUERZO CORTANTE EN FILETE • El esfuerzo en soldadura de filete se considera como esfuerzo cortante en la garganta, cualquiera que sea la dirección de aplicación de la carga:

ESFUERZOS PERMISIBLES AISC

• Ss: esfuerzo permisible cortante 0.30Sut (el esfuerzo cortante en el metal base no debe exceder de 0.40Sy del metal base)

CARGA DE CORTE DIRECTO fw1

fw1

fw1

fw1

• La carga pasa por el centro de gravedad. 𝑃 (𝑘 �𝑤 = �𝑤 ��) 1

CARGA DE CORTE DEBIDO A TORSIÓN �𝑤 =

fw2

2

fw2 fw2

fw2

𝑇𝑐 � 𝑤

𝑇 =𝑃 � • C es la distancia del eje CG al extremo del cordón

CARGA DE CORTE DEBIDO A FLEXIÓN �𝑤 = 3

(+) fw3

�𝑐 � 𝑤

� �𝑤 = 𝑍𝑤 3

(-) fw3

• Zw es el módulo de sección

CARGA DE CORTE RESULTANTE • Para el caso de cargas que actúan en planos mutuamente perpendiculares:

• Tamaño del cordón de soldadura de filete:

RESISTENCIA DE LA SOLDADURA

TAMAÑOS MÍNIMOS DEL CORDÓN • El código de soldadura estructural AWS D1.1 define tamaños mínimos de soldaduras, con base en el espesor del material que se esté soldando

CORDONES INTERMITENTES • Cuando por cálculo, el tamaño del cordón resulta ser pequeño, por debajo del valor mínimo recomendado, se puede hacer uso de cordones intermitentes. • La intermitencia se calcula por la expresión: wcalculado R= x 100% wmínimoo

CORDONES INTERMITENTES

PROBLEMA 07 Para la unión soldada que se muestra en la figura, la placa soldada soporta una fuerza inclinada P de 10000 lbs, el material base es de acero A36, se pide determinar el tamaño del cordón.

PROBLEMA 08 En la figura se muestra una estructura soldada que soporta las cargas P = 3000 kgf, si el soldador utiliza cellocord AP, se pide calcular el tamaño del cordón. Considerar todas las dimensiones en milímetros.

PROBLEMA 08 P

P

PROBLEMA 09 La figura muestra una unión soldada, el tamaño del cordón es de 6 mm, se pide calcular la carga máxima P que se podría aplicar sobre dicha unión utilizando un electrodo overcord M. Considerar todas las dimensiones en mm.

PROBLEMA 09 P

P

FIN DE LA UNIDAD