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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

TEMA: “DISEÑO Y EJECUCIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRENSA HIDRÁULICA AUTOMATIZADA PARA EL TALLER DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR JOSÉ OCHOA LEÓN. AÑO 2017”

Propuesta de Trabajo de Titulación presentado como requisito para obtención del título:

TECNÓLOGO SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

Autores:

Tito Saúl HERRERA SOTO Jimmy Roberto OLLAGUE ASTUDILLO Tutor: Holger Omar ASTUDILLO GUAYLLASACA, Tlgo.

Pasaje, marzo de 2017

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

CERTIFICACIÓN Certificamos que el presente trabajo de titulación, fue realizado en su totalidad por Tito Saúl HERRERA SOTO y Jimmy Roberto OLLAGUE ASTUDILLO, como requerimiento para la obtención del Título de Tecnólogo Superior en Mecánica Industrial.

TUTOR: f._________________________

Holger Omar ASTUDILLO GUAYLLASACA, Tlgo

Pasaje, a los xxxxx días del mes ……Marzo del año 2017

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD: Nosotros, Tito Saúl Herrera Soto, Jimmy Roberto Ollague Astudillo

DECLARAMOS QUE: Autorizamos al Instituto Tecnológico Superior José Ochoa León a la publicación en la biblioteca de la Institución del Trabajo, “DISEÑO Y EJECUCIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRENSA HIDRÁULICA AUTOMATIZADA PARA EL TALLER DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR JOSÉ OCHOA LEÓN. AÑO 2017”, cuyo contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad y total autoría.

Pasaje, a los xxxxxxxxx días del mes de xxxxxxx del año 2017

LOS AUTORES:

f.___________________________

Tito Saúl Herrera Soto

f.___________________________

Jimmy Roberto Ollague Astudillo

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

AUTORIZACIÓN Nosotros, Tito Saúl Herrera Soto, Jimmy Roberto Ollague Astudillo

Autorizamos al Instituto Tecnológico Superior José Ochoa León a la publicación en la biblioteca de la Institución del Trabajo, “DISEÑO Y EJECUCIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRENSA HIDRÁULICA AUTOMATIZADA PARA EL TALLER DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR JOSÉ OCHOA LEÓN. AÑO 2017” cuyo contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad y total autoría.

Pasaje, a los xxxxxxxxx días del mes de xxxxxxx del año 2017

LOS AUTORES:

f.___________________________

Tito Saúl Herrera Soto

f.___________________________

Jimmy Roberto Ollague Astudillo

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

NOTA DE ACEPTACIÓN: Quienes suscriben, en nuestra condición de evaluadores del trabajo de titulación denominado “DISEÑO Y EJECUCIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRENSA HIDRÁULICA AUTOMATIZADA PARA EL TALLER DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR JOSÉ OCHOA LEÓN. AÑO 2017”, hacemos constar que luego de haber revisado el manuscrito del precitado trabajo, consideramos que reúne las condiciones académicas para continuar con la fase de evaluación correspondiente.

f. ________________________________________ HOLGER OMAR ASTUDILLO GUAYLLASACA 0700000000-9 TUTOR - ESPECIALISTA 1 f. ____________________________ VICENTE RODRIGO ESPINOZA MALLA 0700000000-9 TUTOR - ESPECIALISTA 2 f. ____________________________ NOMBRE1 NOMBRE2 APELLIDO1 APELLIDO2 0700000000-9 TUTOR - ESPECIALISTA 3

Pasaje, a los xxxxxxx días del mes de xxxx del año 2017

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR “JOSÉ OCHOA LEÓN” TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL

TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN:

f. ________________________________________ Tlgo. HOLGER OMAR ASTUDILLO GUAYLLASACA TUTOR

f. ________________________________________ Tlgo. HOLGER OMAR ASTUDILLO GUAYLLASACA DIRECTOR DE CARRERA

f. ________________________________________ ING. HENRY DOUGLAS CALERO MALDONADO RECTOR

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RESUMEN “DISEÑO Y EJECUCIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRENSA HIDRÁULICA AUTOMATIZADA PARA EL TALLER DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR JOSÉ OCHOA LEÓN. AÑO 2017” Autores: Herrera Soto Tito Saúl Ollague Astudillo Jimmy Roberto Tutor: Astudillo Holger, Tlgo. El presente trabajo tiene como finalidad el diseño y ejecución de un prototipo para la construcción de una prensa hidráulica automatizada para ser implementada en el taller de soldadura. Este trabajo consta de tres capítulos; el capítulo uno hace referencia al diagnóstico de necesidades y requerimientos, dentro de ello se describe el ámbito de aplicación del proyecto, así como también los requerimientos necesarios para el desarrollo del mismo y su justificación. El capítulo dos menciona la descripción del prototipo, la fundamentación teórica relevante para sustentar la idea planteada a través de la implementación del proyecto. Dentro del capítulo tres se menciona el plan a seguir para el desarrollo de la evaluación de funcionalidad del prototipo ya ensamblado, los resultados de dicha evaluación y la interpretación de los mismo. Se menciona además las conclusiones y recomendaciones a las cuales se logró llegar con el desarrollo de este proyecto, el mismo que le permitirá desarrollar nuevas competencias profesionales a los estudiantes de la carrera de Mecánica Industrial del Instituto Tecnológico Superior “José Ochoa León”. Este trabajo permite tener una referencia para futuros estudios similares, convirtiéndose en estado del arte para próximos trabajos, logrando de esta manera una fuente de consulta para el diseño y ejecución de equipos en destinados al sector industrial. PALABRAS CLAVES: Prototipo, Prensa hidráulica, Competencias, Diseño, Automático.

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SUMMARY "DESIGN AND EXECUTION OF AN AUTOMATED HYDRAULIC PRESSURE PROTOTYPE FOR THE WORKSHOP OF THE SUPERIOR TECHNOLOGICAL INSTITUTE JOSÉ OCHOA LEÓN. YEAR 2017 " Authors: Herrera Soto Tito Saúl Ollague Astudillo Jimmy Roberto Tutor: Astudillo Holger, Tlgo. The present work aims at the design and execution of a prototype for the construction of an automated hydraulic press to be implemented in the welding workshop. This work consists of three chapters; Chapter one refers to the diagnosis of needs and requirements, within which the scope of application of the project is described, as well as the necessary requirements for the development of the project and its justification. Chapter two mentions the description of the prototype, the theoretical basis relevant to support the idea raised through the implementation of the project. Chapter three mentions the plan to be followed for the development of the evaluation of functionality of the prototype already assembled, the results of such evaluation and the interpretation of the same. It also mentions the conclusions and recommendations that were reached with the development of this project, which will allow it to develop new professional competences for the students of the Industrial Mechanics career of the "José Ochoa León" Technological Institute. This work allows to have a reference for future studies, becoming a state of the art for future work, thus obtaining a source of consultation for the design and execution of equipment in the industrial sector. KEYWORDS: Prototype, Hydraulic Press, Skills, Design, Automatic.

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TABLA DE CONTENIDO PORTADA………………………………………………………………………………………...…i DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD: ......................................................................... iii AUTORIZACIÓN ................................................................................................................. iv NOTA DE ACEPTACIÓN: .................................................................................................... v TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN: ....................................................................................... vi RESUMEN.......................................................................................................................... vii SUMMARY ........................................................................................................................ viii INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 10 CAPÍTULO I........................................................................................................................ 11 DIAGNÓSTICO DE NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS ............................................. 11 1.1. ÁMBITO DE APLICACIÓN: DESCRIPCIÓN DEL CONTEXTO Y HECHOS DE INTERÉS ......................................................................................................................... 11 1.2. ESTABLECIMIENTO DE REQUERIMIENTOS ........................................................ 12 1.3. JUSTIFICACIÓN DEL REQUERIMIENTO A SATISFACER .................................... 13 CAPITULO II....................................................................................................................... 14 DESARROLLO DEL PROTOTIPO ..................................................................................... 14 2.1. DEFINICIÓN DEL PROTOTIPO TECNOLÓGICO ................................................... 14 2.2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DEL PROTOTIPO ................................................. 14 2.2.1. ESTADO DEL ARTE .......................................................................................... 14 2.2.2. PRENSA ............................................................................................................ 15 2.2.3. PRENSA HIDRAULICA ...................................................................................... 16 2.2.4. DISEÑO MECANICO DE LA PRENSA .............................................................. 22 2.3. OBJETIVOS DEL PROTOTIPO ............................................................................... 27 2.3.1. OBJETIVO GENERAL ....................................................................................... 27 2.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................. 27 2.4. DISEÑO DEL PROTOTIPO...................................................................................... 27 2.5. EJECUCIÓN Y/O ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO. .............................................. 27 CAPÍTULO III...................................................................................................................... 28 EVALUACIÓN DEL PROTOTIPO ...................................................................................... 28 3.1. PLAN DE EVALUACIÓN .......................................................................................... 28 3.2. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN ...................................................................... 30 3.2.1. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ............................................................ 30 3.2.2. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 31 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 32

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Índice de Tablas Tabla 1. Atributos que ayudan a determinar la calidad de requerimiento ........................... 12 Tabla 2. Criterios de evaluación del prototipo..................................................................... 28 Tabla 3. Niveles de significancia de los criterios de evaluación del prototipo ..................... 29 Tabla 4. Resultado de la evaluación de la funcionalidad .................................................... 30 Índice de Gráficos Gráfico 1. Ubicación del Instituto Tecnológico Superior ..................................................... 11 Gráfico 2. Prensa mecánica. AnHui LaiFu Machine Tool Co., Ltd. (2016) ......................... 16 Gráfico 3. Componentes que constituyen una prensa hidráulica. Carvajal et al (2015) ..... 17 Gráfico 4. Perfil rectangular. (Payan, 2012)........................................................................ 23 Gráfico 5. Platina Superior. (Payan 2012) ......................................................................... 24 Gráfico 6. Diagrama de cuerpo libre del bastidor. (Payan 2012) ........................................ 25 Gráfico 7. Pasador. (Payan 2012) ...................................................................................... 26

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INTRODUCCIÓN Actualmente la industria ha visto la necesidad de reemplazar de forma gradual a las prensas mecánicas por las prensas hidráulicas, reduciendo de esta forma costos y tiempos de manufactura. De tal forma que se puede evidenciar un enorme avance tecnológico en las prensas hidráulicas con relación a las prensas mecánicas, principalmente en el manejo de capacidades de tonelajes, seguridad, costos de mantenimiento etc. Considerando estas razones, nace la idea de hacer un prototipo para una prensa hidráulica automatizada con la finalidad de dar a conocer sus bondades en relación a su funcionamiento, así como también que permita realizar diversos tipos de prácticas dentro del taller de soldadura de la carrera de Mecánica Industrial del Instituto Superior Tecnológico “José Ochoa León”. En este trabajo se muestran los elementos que constituyen dicha máquina y así demostrar la fiabilidad de las que tienen las prensas hidráulicas, debido a la producción en masa, el detallado y la calidad de ciertas tareas que se realizan en diferentes ámbitos, donde se emplea este tipo de máquinas, reduciendo de manera importante los tiempos y costos en los procesos de manufactura de diversas piezas para así poder competir en el mercado de la actualidad. Dentro de la estructura del documento se encuentra cada uno de los componentes que permiten desarrollar la idea central del diseño del equipo, así como la presentación de planos y el procedimiento de ensamblaje del mismo. Esta situación da como resultado que exista un referente para el diseño de nuevos equipos en el cual que tengan como característica principal la aplicación de la hidráulica y la automatización.

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CAPÍTULO I. DIAGNÓSTICO DE NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS 1.1. ÁMBITO DE APLICACIÓN: DESCRIPCIÓN DEL CONTEXTO Y HECHOS DE INTERÉS El Instituto Tecnológico Superior “José Ochoa León”, se encuentra ubicado en la ciudad de Pasaje en la Provincia de El Oro, en las coordenadas geográficas: 36900 Norte y 21250 Este.

Gráfico 1. Ubicación del Instituto Tecnológico Superior

La población estudiantil que posee el Instituto cubre las principales ciudades de la Provincia de El Oro, como es el caso de Machala, Pasaje, El Guabo, El Cambio, Santa Rosa, Chilla, Pasaje, Guanazan, Piñas y Zaruma. Posee aproximadamente 682 estudiantes, los cuales provienen de las ciudades antes mencionadas. En lo que respecta a la oferta académica, el instituto posee las carreras de Mecánica Industrial, Electromecánica, Análisis en Sistemas y la carrera de Técnicos de Atención Primaria en Salud (TAPS). Dichas carreras son ofertadas en diferentes jornadas como es el caso de la sección matutina, vespertina y nocturna. Uno de los principales problemas que se presentan en esta Institución es precisamente la falta de talleres dotados con equipos que permitan el desarrollo de las actividades tanto de los docentes como de los estudiantes. Por tal motivo se plantea como una alternativa de solución a la problemática antes descrita, el diseño y ejecución de un prototipo de prensa hidráulica automatizada para el taller de soldadura de dicha Institución, lo que permitirá alcanzar las competencias profesionales que la carrera de Mecánica Industrial oferta a través de sus Tecnólogos Superiores a la sociedad.

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1.2. ESTABLECIMIENTO DE REQUERIMIENTOS La obtención de requerimientos del prototipo se la realiza a través de la observación de sistemas existentes y del entorno donde se implementará, se basa en la búsqueda de información a través de reuniones con los interesados, generación de escenarios, etc, la aplicación de estas técnicas debe ser repetida hasta la finalidad de la etapa de diseño y ejecución del proyecto. Cristiá (2011, pág. 10) establece que en la etapa de priorización de los requerimientos es indispensable apoyarse en el negocio o tipo de prototipo a desarrollar, para lo cual es necesario utilizar la siguiente escala: Tabla 1. Atributos que ayudan a determinar la calidad de requerimiento Atributo

Comentario

Cohesivo

El requerimiento habla de una única cosa.

Completo

El requerimiento está enunciado en un único lugar y no falta información.

Consistente

El requerimiento no contradice ningún otro requerimiento y es consistente con cualquier otra información relevante.

Correcto

El requerimiento apunta a soportar el negocio detrás del sistema como fue enunciado por el cliente.

Actualizado

El requerimiento no se volvió obsoleto por el paso del tiempo.

Observable externamente

Factible

No ambiguo

Validable

El requerimiento habla de una característica del sistema que es observable o experimentada por el usuario. “Los requerimientos” que hablan de la arquitectura, diseño o implementación no son, en realidad, requerimientos. El requerimiento puede implementarse dentro de los límites del proyecto. El requerimiento está enunciado de forma clara y concisa utilizando el vocabulario del dominio de aplicación, habiéndose definido con precisión todos los términos y siglas. La implementación del requerimiento puede validarse a través de inspección, análisis, demostración o prueba (test)

Elaborado por: Autores del proyecto. 12

1.3. JUSTIFICACIÓN DEL REQUERIMIENTO A SATISFACER Establecer los requerimientos para el desarrollo del prototipo permite cubrir las necesidades del cliente. Ayuda a encontrar errores durante el proceso de análisis, reduciendo significativamente los costos por errores que se pueden producir durante el proceso de validación y funcionamiento del equipo. 

Verificación de completitud: se basa en la redacción de un documento de requerimientos, donde se debe incluir todos los requerimientos que definan las funciones y restricciones propuestas por usuario final del proyecto, para este caso un prototipo.



Verificación de realismo: se basa en el aseguramiento de la culminación de los requerimientos considerando la tecnología existente, dentro del presupuesto asignado y en el tiempo estimado.



Verificación de validez: dentro del análisis se puede identificar que se requieren funciones diferentes a las que se establecieron dentro del alcance al proyecto.



Verificación de consistencia: consiste en determinar la no existencia de restricciones o descripciones contradictorias en el sistema.

A continuación, se mencionan los requerimientos necesarios para el desarrollo del prototipo tecnológico. Requerimientos funcionales: descripción de los principales procesos que debe soportar y gestionar el recurso seleccionado. Para este caso hace referencia a todo el sistema o equipo ensamblado respecto a su funcionamiento, que va desde el encendido del equipo hasta el corte o separación de los distintos tipos de granos ya sea de la mazorca o la vaina según la especie vegetal utilizada. Requerimientos técnicos: descripción técnica de la solución propuesta: necesidades de instalación, requerimientos de seguridad y control, rendimiento, facilidades de implantación y mantenimiento, etc. En este apartado se considera el tipo de motor y la potencia que éste tiene para generar la fuerza que permita separar los granos según la especie vegetal. Facilidades para el usuario: requerimientos en cuanto a facilidades de aprendizaje, adaptación y uso. Específicamente describe la forma de uso del equipo o maquinaria, para este caso se puede mencionar además como un entregable adicional al proyecto, el manual de usuario del equipo.

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CAPITULO II. DESARROLLO DEL PROTOTIPO 2.1. DEFINICIÓN DEL PROTOTIPO TECNOLÓGICO El siguiente proyecto tiene como denominación: “Diseño y ejecución de un prototipo de prensa hidráulica automatizada para el taller del Instituto Tecnológico Superior José Ochoa León. Año 2017” 2.2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DEL PROTOTIPO 2.2.1. ESTADO DEL ARTE Cruz & Santo (2013) indican que el diseño de una maquina es una tarea dedicada a la creación, y elaboración de formas, procesos y productos prácticos, los cuales deben facilitar el desarrollo de actividades propias de las personas; considerando siempre aspectos como: calidad, estética, funcional y comercial de los mismos. Bustos & Delgado (2016) anuncian que una prensa hidráulica consiste de una carga con dos a cuatro columnas, pistones, cilindros, arietes, y bombas hidráulicas impulsadas por motores eléctricos, funcionan a velocidad constante, y es empleada en procesos de embutición profunda. Además, mencionan que para establecer y ejecutar el diseño es necesario realizar un análisis del comportamiento de todos los componentes de la prensa, considerando las fuerzas que intervienen. Apolinario (2015) considera que para seleccionar una prensa se debe considerar el tiempo de accionamiento de la fuerza, y que la prensa hidráulica es la mejor opción ya que permite mantener una carga constante por un tiempo prolongado sobre el material. Además, que las prensas con estructura cerrada son rígidas y requieren menos material y resultan más económicas. Cuvi & Lara (2011) señalan que las prensas hidráulicas actualmente son aún más rápidas y más confiables, esto se debe al mejoramiento de la tecnología, reflejado en los nuevos sellos, mejores bombas, las mangueras reforzadas y acoplamientos mejorados. Ortíz (2013) afirma que, para seleccionar el tipo de prensa a usar en un trabajo dado, es necesario considerar el tipo de operación a desarrollar, tamaño de la pieza, potencia requerida, y la velocidad de la operación. Carvajal, Rocha, Carrera, & Cepeda (2015) recomiendan que para el diseño y construcción de una prensa hidráulica es necesario la investigación y estudio de materias como diseño de elementos, sistemas hidráulicos y lubricantes. Además, que el acople debe ideal para la bomba hidráulica - moto reductor y motor eléctrico para impedir fallas de bombeo y llegar a la presión indicada para la remoción de pines de cadena de maquinaria pesada y equipo caminero.

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Barba & Reyes (2011) mencionan que se debe tener en cuenta los siguientes aspectos al seleccionar una prensa hidráulica: el tonelaje (depende del trabajo a realizar), la acción de la máquina (de acuerdo al tipo de carrera), el tipo de prensa ( la prensa tipo C permite el acceso desde tres lados; las prensas de cuatro columnas ofrecen una fuerza muy paralela; la prensa de lados rectos dan rigidez necesaria para realizar trabajos de transferencia), calidad (considerar: el cuerpo, fijarse en la construcción de la estructura, y el cilindro); la presión máxima del sistema entre 1000 hasta 3000 psi; y el motor eléctrico (tomar en cuenta la duración, la longitud y la velocidad de la carrera). Sánchez (2012) anuncia que las prensas hidráulicas automatizadas permiten una eficiente manufactura, minimiza el manejo de material, y atiende la escasez de mano de obra calificada. Además, el equipo automatizado ayuda a ofrecer entregas rápidas y precios competitivos, y a agregar un turno de producción sin invertir en más mano de obra. Estos tienen gran versatilidad para cambiar automáticamente programas de partes, permitiéndole al usuario la flexibilidad para programar trabajos que usan tamaños, espesores y tipos diferentes de material. 2.2.2. PRENSA 2.2.2.1. DEFINICION La prensa es una máquina herramienta, pertenece al grupo de aparatos de movimiento rectilíneo alternativo, se la utiliza para la deformación permanente o cortar un material mediante la aplicación de una carga (Méndez, 2012). 2.2.2.2. TIPOS. a. Según la fuente de energía para el prensado  Prensas mecánicas, estas máquinas acumulan energía cinética mediante una volante de inercia y así transmitir energía al prensado. La transmisión de energía se realiza a través de un sistema de manivela con embrague mecánico convirtiendo el movimiento giratorio de la volante en movimiento lineal para el prensado (Apolinario, 2015).

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Gráfico 2. Prensa mecánica. AnHui LaiFu Machine Tool Co., Ltd. (2016)



Prensas hidráulicas, aprovechan la energía potencial de un fluido para transmitir energía al prensado. Este proceso se realiza a través de una elevación de la presión del fluido y la conversión de su energía en fuerza lineal con la ayuda de un cilindro hidráulico o pistón (Apolinario, 2015).

b. Según la forma de la estructura:  Prensa con estructura abierta, su estructura cuenta con una columna y su línea de carga es excéntrica al eje de la columna sobre la mesa. Presenta la siguiente ventaja: brinda mayor espacio y comodidad al manipular el material sobre la mesa. Sin embargo, presenta la siguiente desventaja: requiere de un bastidor grande para soportar cargas altas porque la carga de prensado es excéntrica a su eje, siendo de elevado costo. (Apolinario, 2015) .  Prensa con estructura cerrada, su estructura está compuesta por columnas y vigas unidas en un pórtico, en la que la carga se encuentra centrada. Presentan las siguientes ventajas: soportan una carga mayor sin reducir la uniformidad del prensado y requieren menos material por lo que son más económicas (Apolinario, 2015). 2.2.3. PRENSA HIDRAULICA 2.2.3.1. DEFINICION La prensa hidráulica es una aplicación del principio de Pascal. Es una máquina – herramienta empleada para deformar permanentemente o cortar un material, aplicando una carga. Consiste en un bastidor  sostiene una bancada y un ariete, una fuente de potencia y un mecanismo para mover el ariete linealmente y en ángulos rectos con relación a la bancada (Barba & Reyes, 2011).

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2.2.3.2. COMPONENTES GENERALES Barba & Reyes (2011) informan que los componentes generales de una prensa hidráulica son los que se muestran a continuación.  Sistema eléctrico: elevadores de sobrecarga; botones de arranque, paro y de emergencia; contactos auxiliares; protectores termo - magnéticos; cables y conexiones.  Sistema de potencia: motor y bomba hidráulica.  Sistema de transmisión: flechas.  Sistema hidráulico: válvulas; pistones; mangueras y tuberías; aceite y filtros.

Gráfico 3. Componentes que constituyen una prensa hidráulica. Carvajal et al (2015)

2.2.3.3. CLASIFICACION Por el tipo de bastidor Estas máquinas pueden ser de tipo C, tipo H, de laboratorio, de prensa, para reciclaje y otras según las necesidades del cliente (Barba & Reyes, 2011). Del tipo de acción Pueden ser: de simple acción, tienen un solo ariete; de doble acción, tienen dos arietes deslizantes, uno exterior y uno interior y son usadas en trabajos de embutido profundo; de triple acción, semejante a las anteriores, pero tienen un ariete adicional que trabaja de arriba hacia abajo (Barba & Reyes, 2011).

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2.2.3.4. APLICACIONES DE LAS PRENSAS HIDRÁULICAS. Cuvi & Lara (2011) manifiesta que las prensas hidráulicas son empleadas en trabajos de alto volumen en procesos de manufactura entre estos tenemos:  El ensamble de los rodetes a los ejes de los motores, la compresión de láminas o el oprimir de insertos.  La formación de metales.  La manufactura de cubiertos u ollas de metal en plano.  En la industria automotriz (el oprimir los ejes a las bombas de agua, los rodantes a las transmisiones, el ensamble de los amortiguadores, el oprimir en blanco, la formación de diafragmas o la junta de frenos de disco.  Industria aeronáutica. Bavaresco (2011) también detalla acontinuación las operaciones que se pueden realizar en una prensa: a) Punzonado o corte de la chapa El corte de chapa es una operación mecánica que consiste en separar una parte metálica de otra permitiendo obtener al instante una figura o forma deseada. b) Doblado, Curvado, Bordonado y perfilado Estas operaciones son relevantes en los ciclos productivos, debido a que estas van después del Punzonado de la chapa. Durante estas operaciones es necesario evitar que la chapa experimente un alargamiento para que la chapa no varíe su espesor. Estas operaciones, deben variar la forma de un objeto de la Chapa sin alterar su espesor, de forma que todas las secciones permanezcan constantes. c) Embutido, estirado y extrucción Embutir es una operación que consiste en someter y en transformar una chapa plana en un cuerpo hueco, procediendo gradualmente con una o más pasadas. Extrusión significa comprimir y expeler algo hacia afuera con violencia, se usa industrialmente para definir el proceso de comprimir y expeler hacia fuera de la matriz, un material blando por medio de un punzón. d) Forjado Con el forjado se logra la deformación plástica de un metal, producida por esfuerzos impuestos sobre él, ya sea por impacto o por presión. Existen dos clases de forja, en matriz abierta y en matriz cerrada.  Forja en matriz abierta para producción de piezas pesadas con tolerancias grandes y en lotes pequeños y medianos. 18

 Forja en matriz cerrada para producción de piezas de peso reducido, de precisión y en lotes de 1000 a 10000 unidades. 2.2.3.5. VENTAJAS Barba & Reyes (2011) indican que las prensas hidráulicas presentan las siguientes ventajas:     

La fuerza total por toda la carrera. Más capacidad a menos costo. El costo de compra y costo de su mantenimiento es menor. Permite la seguridad de sobrecarga y mayor flexibilidad en control y versatilidad. El nivel del ruido es menor.

2.2.3.6. DESVENTAJAS Galláraga & Rodríguez (2015) mencionan que las prensas hidráulicas presentan las siguientes desventajas:  Baja velocidad de avance del pistón.  El sistema hidráulico tiene alta sensibilidad a impurezas.  Tiene dependencia a la temperatura. 2.3.7. PARÁMETROS PARA SELECCIONAR UNA PRENSA HIDRÁULICA a. Según el sistema de funcionamiento Tonelaje, es una de los parametros principales a considerar debido a que esta relacionado con el tipo de trabajo a realizar. Las prensas hidraulicas presentan mayor control de acuerdo a la necesidad del trabajo, en cambio las prensas macanicas desarrollan toda su capacidad de carga en cada impacto (Galláraga & Rodríguez, 2015) . Velocidad de accion, corresponde a la distancia recorrida en cierto tiempo los pistones hidraulicos de sujeccion y accion, para que la maquina realice el trabajo determinado (Galláraga & Rodríguez, 2015). Longitud de carrera, es la distancia util entre la mesa fija y movil y asi los pistoines rrecorren y realizan su trabajo (Galláraga & Rodríguez, 2015). Control del sistema, se refiere a la forma de operar del sistema hidraulico, electrico y sus medios de seguridad (Galláraga & Rodríguez, 2015). Versatilidad, depende de accion sea esta de simple o doble efecto. Las prensas hidraulicas tienen gran empleo en el campo de embuticion, por la funcionabilidad de doble efecto, mientras que las prensas mecanicas se emplean en trabajos de impacto o troquelado, presentando simple efecto (Galláraga & Rodríguez, 2015).

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Costo de mantenimiento, hace referencia al valor agragado por mantenimiento preventivo y correctivo de la maquina (Galláraga & Rodríguez, 2015). Contaminacion auditiva, se debe elegir la prensa que menor impacto auditivo.Seguridad de operación, el sistema de seguridad debe estar incorporado en la maquina para asegurar la integridad fisica del operario (Galláraga & Rodríguez, 2015). b. Según la forma del bastidor Funcionalidad para embutido, es la compatibilidad que tiene la maquina con el proceso que se va a realizar (Galláraga & Rodríguez, 2015). Rigidez, depende la la fuerza necesaria y de la clase de conformado que se desee realizar (Galláraga & Rodríguez, 2015). Sistema de cojin neumatico, se refiere al sistema de amortiguamiento de la parte inferior de la mesa fija en la linea de accion de la matriz (Galláraga & Rodríguez, 2015) c. Según la finalidad del proyecto Costo de fabricacion, corresponde al valor por concepto de manufactura de la maquina considerando la complejidad de la misma, sus accesorios y materiales (Galláraga & Rodríguez, 2015). Fuerza establecida, se refiere a la fuerza maxima qu e requiere la maquina (Galláraga & Rodríguez, 2015). Utilidad de acuerdo al proyecto, considera el uso que se hara con la maquina (Galláraga & Rodríguez, 2015). Fiabilidad, es la capacidad de la maquinas de alcanzar un excelente funcionamiento bajo ciertas condiciones de trabajo establecido como la temperatura, friccion, presion, vibracion en un tiempo establecido (Galláraga & Rodríguez, 2015). 2.2.3.8. RÉGIMEN DE PRUEBAS PARA LA PRENSA HIDRÁULICA Méndez (2012) indica las siguientes pruebas que se deben realizar a la prensa hidráulica. a. Prueba de control dimensional La prueba de control dimensional consiste en:  Verificar que la maquina cumpla con las medidas nominales establecidas en los planos del taller.  Inspeccionar paralelismo entre las comunas de las tapas superiores y la mesa de prensado (tomar como referencia el piso).  Controlar la perpendicularidad de las columnas con las tapas superiores, mesa de prensado y el piso. 20

Para esta prueba se utiliza los siguientes instrumentos: flexómetro, escuadra y nivel. b. Funcionamiento en vacío Esta prueba se fundamenta en accionar el sistema hidráulico y verificar que no exista fuga de aceite, que el pistón este centrado y este perpendicular a la mesa de prensado, inspeccionar si existen fallas de ensamblaje y constatar la estabilidad de la máquina. Para ello se emplea: escuadra, flexómetro, inspección manual, visual y auditiva. c. Funcionamiento con carga La prueba de funcionamiento con carga consiste en accionar el sistema hidráulico (oprimir cualquier material hasta 4000Psi), verificar que no exista fugas de aceite e inspeccionar cualquier falla en los elementos de sujeción y de apoyo y verificar la estabilidad de la máquina. Para realizar esta prueba se emplea como instrumento de control: inspección manual, visual y auditiva. d. Retorno de pistón El retorno de pistón se basa en comprobar que el pistón regrese a su posición inicial una vez abierta la llave de descarga del gato hidráulico, y analizar alguna anomalía en los resortes y la placa de retorno. Para ello se realizar una inspección visual y manual. e. Movilidad de la mesa de prensado La prueba de movilidad de la mesa de prensado consiste en colocar la mesa de prensado en sus diferentes posiciones, para facilitar su desplazamiento sobre las columnas. Para esta prueba se debe realizar una inspección manual. f. Calidad superficial La prueba de calidad superficial consiste en verificar el acabado superficial de la máquina, dando prioridad a la adherencia de la pintura. Para realizar esta prueba de debe realizar una inspección visual.

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2.2.4. DISEÑO MECANICO DE LA PRENSA

2.2.4.1 DISEÑO TEÓRICO El diseño teórico consiste en realizar un análisis teórico de cada una de las piezas que compone la estructura de la prensa hidráulica, para definir la carga máxima permisible en cada elemento analizado (Payan, 2012). a. Factor de seguridad: Mediante este se evalúa las condiciones de seguridad de un elemento. En el diseño se debe evitar la falla estructural, las cargas a ser sometidas de un elemento en operación, debe ser menores a las cargas de la estructura que es capaz de soportar, para lo cual se aplica las siguientes ecuaciones (Payan, 2012). Fs = Resistencia real/ Resistencia trabajo

Donde:

b. Diseño de columna. Las columnas son los elementos verticales que soportan cargas de compresión y flexión; permiten dar soporte al resto de los componentes, y mantener la estabilidad de la estructura. Para el análisis de la columna se debe tener en cuenta sus dimensiones (espesor, longitud y ancho), las propiedades del material del cual están fabricadas (Payan, 2012). Las siguientes ecuaciones que se muestran a continuación corresponden a las propiedades de la sección transversal del perfil rectangular de una columna (Payan, 2012). Donde: I = momento de inercia A= área de la sección transversal K = radio de giro L = longitud de la columna.

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Gráfico 4. Perfil rectangular. (Payan, 2012)

Aneta = (b * h) Ixx = b * h3 / 12 Iyy = b3 *h/ 12 De acuerdo a la orientación que presenten los ejes X y Y, se obtienen dos valores de radio de giro a partir de las ecuaciones anteriores (Payan, 2012).

De los dos radios de giro, considerar el menor de los dos, este es un indicativo de que tiene una sección trasversal débil sobre ese eje y tendrá una mayor posibilidad de pandeo en esa dirección (Payan, 2012). A partir de la ecuación:

Se puede determinar la relación de esbeltez que sirve como parámetro para conocer la estabilidad de la columna, si es una columna fija en ambos extremos tenemos que: Le = 0.5 L

Con el resultado anterior, y teniendo en cuenta que para una Re < 30 se hace un análisis por esfuerzos normales, se tiene que: 23

De acuerdo al valor de esfuerzo obtenido se procede a calcular la carga P máxima para la columna, en este procedimiento y para el perfil de la columna, según el manual AISC1, se recomienda usar un factor de seguridad para elementos a compresión de 1.67 (Payan, 2012). Utilizando la ecuación:

para esfuerzos normales se puede determinar la carga máxima permisible en la columna (Payan, 2012). d. Análisis de platina superior: Se encarga de albergar y soportar el cilindro hidráulico, formada por la parte superior de la prensa, está sujeta a la columna, y puede soportar momentos flectores. En la siguiente figura se muestra las fuerzas que actúan en la platina superior (Payan, 2012).

Gráfico 5. Platina Superior. (Payan 2012)

De acuerdo al esquema anterior las reacciones en la viga empotrada son:

El momento flector máximo se calcula por medio de la tabla 4 (ver anexos M), el cual queda como:

24

Con el momento flector máximo anterior, se procede a calcular el esfuerzo máximo para una viga sometida a flexión, donde I es la inercia de la sección trasversal de una viga de perfil rectangular definida en la ecuación mencionada anteriormente, y c es la distancia que hay desde el eje neutro hasta la partícula más externa, esto se define como:

De acuerdo al valor de esfuerzo obtenido se procede a calcular la carga P máxima para la platina, en este procedimiento se establece un factor de seguridad de 1.67 recomendado por el manual AISC2 , para elementos sometidos a flexión. Utilizando la ecuación para esfuerzos normales se tiene:

Con el factor de seguridad establecido se determina las dimensiones de la pieza adecuada para soportar una carga de trabajo P aproximada (Payan, 2012). d. Análisis bastidor: El bastidor o base se encarga de alojar las piezas de trabajo y soportar las cargas trasmitidas por el cilindro, constituye la parte inferior de la prensa y está sujeta a las columnas, esta debe soportar momentos flectores por la naturaleza de las cargas (Payan, 2012). A continuación, se muestra un esquema de las fuerzas que actúan en la base (Payan, 2012).

Gráfico 6. Diagrama de cuerpo libre del bastidor. (Payan 2012)

25

Con el grafico anterior se procede a calcular las reacciones en los extremos de la viga con las siguientes formulas (Payan, 2012). Ra = Rb = P/2 El momento flector se procede a calcular con la tabla Nº 1, expresándose así: MA = MB Mfmax= PL/8 Con el momento flector máximo calculado, se procede a calcular el esfuerzo máximo para una viga sometida a flexión a partir de la ecuación:

Con el resultado obtenido anterior de esfuerzo se calcula la carga P máxima para la base, en se establece un factor de seguridad de 1.67 (valor recomendado por el manual AISC) para esta pieza utilizando la siguiente ecuación para esfuerzos normales (Payan, 2012). Con el resultado obtenido, se interpreta las dimensiones del bastidor que permiten soportar la carga P calculada en el punto anterior (Payan, 2012). e. Análisis y determinación de la carga máxima de trabajo. Considerando los valores obtenidos de carga de cada pieza, se selecciona la carga mínima calculada para asegurar que ninguna pieza falle por la acción de la misma (Payan, 2012). f. Análisis pasador. El pasador soporta la base de la prensa, con esto se genera un sistema de cargas y reacciones sobre el dispositivo como se muestra en la siguiente figura (Payan, 2012).

Gráfico 7. Pasador. (Payan 2012)

26

Para el diseño de este elemento, y los demás componentes se toma como base una carga puntual que afecta a todos los elementos de esta máquina. Como se observa en la figura la carga puntual generada por el accionamiento del cilindro hidráulico se transmite a la base P/2 y esta se trasmite al pasador P’, distribuyendo la carga en cuatro puntos de la base, e induce a los pasadores el efecto de cizallamiento (Payan, 2012). Con el valor de la carga obtenida en el punto anterior se procede a calcular el factor de seguridad del pasador, y de esta forma conocer la fiabilidad del mismo en el sistema (Payan, 2012). P’ = P/4 Utilizando la ecuación para esfuerzo cortante  , y remplazando en área de la circunferencia del perno en A.  = P’/ A A partir del resultado obtenido, y de acuerdo al manual AISC, para el diseño de pasadores sometidos a cortante, el esfuerzo permisible sometido a cortante se enuncia como:  per= 0,4 * y Luego se obtiene el factor de seguridad correspondiente para el sistema de carga y las dimensiones del perno con la siguiente ecuación: Fs=  per /  2.3. OBJETIVOS DEL PROTOTIPO 2.3.1. OBJETIVO GENERAL 

Construir un prototipo de una prensa hidráulica automatizada para el taller de soldadura del Instituto Tecnológico Superior José Ochoa León.

2.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Diseñar el prototipo de una prensa hidráulica automatizada.



Evaluar la funcionalidad del prototipo de la prensa hidráulica automatizada



Determinar las características funcionales del prototipo de la prensa hidráulica automatizada.

2.4. DISEÑO DEL PROTOTIPO 2.5. EJECUCIÓN Y/O ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO.

27

CAPÍTULO III. EVALUACIÓN DEL PROTOTIPO 3.1. PLAN DE EVALUACIÓN Los criterios considerados para la fase de evaluación del funcionamiento del prototipo diseñado son los siguientes: funcionalidad, costo y calidad. El alcance del proyecto, es definido como un indicador de que permitirá establecer la funcionalidad del prototipo. Para el caso de los costos en el diseño y ejecución del prototipo, se establece un margen de tolerancia que oscila entre +- 2% del costo estimado, sin embargo en el caso de requerir la construcción del equipo a una escala industrial, se estimará que el margen de tolerancia del presupuesto será entre +-5%. Para medir el desempeño del equipo en funcionamiento, se establece como indicador a la calidad del mismo, para lo cual se considera que el equipo es de calidad si durante su funcionamiento el consumo de energía requerido para tal procedimiento es mínimo, así como también si durante las pruebas de puesta en marcha el margen de error es de +-1% del total de los productos obtenidos. La tabla Nº 2 muestra la definición de los criterios para la evaluación del prototipo. Tabla 2. Criterios de evaluación del prototipo DEFINICIÓN DE LOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN DEL PROTOTIPO Criterio Materiales de construcción

Robustez

Funcionamiento Amigable

Definición Son los materiales seleccionados bajo una especificación estandarizada que determine la calidad de los mismos, con la finalidad de obtener un ensamblado perfecto del producto final. El prototipo tiene dentro de su diseño una precisión definida que permite realizar la obtención de producto asegurando su calidad final. El prototipo funciona de manera correcta sin presentar inconvenientes. El usuario final del prototipo no tiene dificultad para el manejo del prototipo, considerando las fases de encendido, apagado, la manera de montaje o ensamblaje para el mantenimiento respectivo.

Elaborado por: Autores del proyecto

28

Tabla 3. Niveles de significancia de los criterios de evaluación del prototipo

NIVELES DE SIGNIFICANCIA DE LOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN CRITERIOS

Materiales de construcción

Robustez

Funcionamiento

Amigable

5 Excelente

4 Muy Bueno

3 Bueno

Materiales apropiados fueron seleccionados y creativamente modificados

Materiales apropiados fueron seleccionados y había una tentativa en la modificación creativa

Fueron utilizados materiales apropiados

El Prototipo ensamblado durante las pruebas resiste cada una de las operaciones requeridas con la finalidad de colapsar su funcionalidad.

Es razonablemente robusto. No es fácil que se detenga durante su funcionamiento, pero uno o dos ensayos se detuvo su proceso.

La robustez del equipo no es satisfactoria, se detiene durante su funcionamiento en más de tres pruebas.

El prototipo funciona extraordinariamente bien, y no presenta complicaciones.

El prototipo funciona bien, manteniéndose firme.

El prototipo funciona bien, pero deteriora.

Es fácil la comprensión del funcionamiento del prototipo por parte del usuario.

El usuario no tiene ninguna duda, en ningún momento, sobre la forma en que funciona el prototipo.

Elaborado por: Autores del proyecto.

29

El usuario debe remitirse con frecuencia a los manuales de funcionamiento.

2 Regular

1 Bueno

Fueron utilizados materiales apropiados sin embargo el ensamblado no fue el establecido en el alcance del proyecto

Se utilizaron materiales inapropiados y como resultado se obtuvo un modelo poco demostrativo del tema

La robustez del equipo es mínima.

El equipo no es robusto en lo absoluto.

Defectos mínimos en su función con indicios de fracaso.

Defectos fatales en función con fracaso completo.

EL desempeño del prototipo es complejo en función con las acciones generadas por el usuario.

El prototipo no es amigable al manejo el usuario.

3.2. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN Los indicadores: materiales de construcción, robustez de la máquina, funcionamiento y lo amigable, permitieron evaluar el desempeño del equipo. Luego se realizó una ponderación utilizando en la cual se definieron los pesos según el porcentaje de obtenido de acuerdo a cada indicador y criterio. Tabla 4. Resultado de la evaluación de la funcionalidad Matriz de Evaluación de la funcioanlidad del Prototipo Tecnoógico según criterios y objetivos Materiales de construcción Objetivos

Pesos

Evaluación

Alcance

10%

Costo

50%

Tiempo Calidad

%

Evaluación

1

2%

4

40%

30%

3

10%

5

100% Umbral Escala

Robustez

Funcionamiento %

Evaluación

3

6%

5

50%

18%

3

10%

4

70%

Amigable

%

Evaluación

4

8%

3

6%

5

50%

5

50%

18%

3

18%

4

24%

8%

2

4%

2

82%

80%

%

4% 84%

5

Elaborado por: Autores del proyecto

3.2.1. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 

Materiales de construcción: Este indicador muestra un valor del 40% referido al objetivo del costo de construcción del prototipo, siendo el valor más elevado en comparación con los otros indicadores.



Robustez: La robustez del equipo, incide de manera directa con los objetivos de costo y tiempo del proyecto, los valores obtenidos para estos dos objetivos del proyecto son de 50% y 18% respectivamente.



Funcionamiento: El funcionamiento del equipo del equipo determina un resultado de 50% para el objetivo del costo y 18% para el caso del tiempo permitiendo una factibilidad para la construcción del equipo a una mayor escala.



Amigable: El indicador que determina cuan fiable y sencillo es el uso del prototipo arrojó valores correspondientes al 50% y 24% para los objetivos de costo y tiempo.

Los indicadores muestran una tendencia elevada de aceptación, lo que determina un promedio del 79%, lo que lo convierte en factible para su ejecución y construcción a una escala mayor.

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3.2.2. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 3.2.2.1. CONCLUSIONES 

El alcance del proyecto, en función al diseño del prototipo de una prensa hidráulica permitió determinar las características funcionales y su valoración económica para una construcción a mayor escala.



La tendencia marcada en los objetivos del alcance, costo tiempo y calidad del prototipo, determina un promedio de79% para todos estos criterios de valoración, mostrando una buena adaptación del prototipo con respecto al usuario en el momento de su funcionamiento.



La calidad de los materiales de construcción del prototipo permitió un ensamble perfecto de cada una de las partes de dicho equipo, obteniendo en la evaluación un porcentaje de 50% y 18% entre los criterios importantes de evaluación como son el costo y tiempo respectivamente.

3.2.2.2. RECOMENDACIONES 

Considerar el diseño de este prototipo para la construcción de equipos con características similares y de gran envergadura.



Antes del diseño de un prototipo, definir la calidad de los materiales a utilizar con la finalidad de obtener buenos resultados en el momento de las pruebas de funcionalidad y facilidad uso por parte del operador.



Continuar con el desarrollo de este tipo de trabajos con la finalidad de lograr dotar al taller de soldadura del Instituto Tecnológico Superior José Ochoa León.

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