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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera NULLPOINT SYSTEM PARTS FAMILY DESIGN – DISEÑO DE UN SISTEMA DE UTILLAJE DE PUNTO CERO Autor David Antón Romero de Ávila Director György Hegedus Ponente José Luis Huertas Talón EINA 2013 – 2014 RESUMEN El presente proyecto tiene como objetivo estudiar el diseño de un utillaje de amarre de cambio rápido para sistemas de fabricación, concretamente de la familia de punto cero. Primeramente se establecen los condicionantes del proyecto, referente a los requisitos establecidos por el promotor, también del entorno físico donde trabajará la máquina. A continuación se realiza una introducción desde las técnicas principales de mecanizado, a los sistemas de mecanizado automáticos definiendo el control numérico y sistemas de fabricación flexible. Se introducen los conceptos principales de los utillajes comúnmente utilizados comparando los sistemas manuales y los automáticos, justificando a tecnología de punto cero. Además se describen los diferentes tipos de utillaje de la familia de punto cero. Seguidamente se realiza un estudio de patentes para conocer los fundamentos y principios de funcionamiento de diferentes modelos e inventores. También se realiza un estudio de mercado para analizar los modelos de los principales fabricantes de este tipo de utillajes. A continuación se describen los principios de diseño del utillaje y los cálculos para la justificación de los componentes empleados para el diseño. También se añaden las características técnicas de los materiales empleados, como son el acero M333 ISOPLAST y el bronce B12 Cinta Morada. Por otro lado se adjunta el estudio económico detallado, referente a las mediciones, presupuesto y la viabilidad económica del proyecto. Simultáneamente, se han incluido todos los planos de fabricación y diseño a partir del trazado mediante el software informático ProEngineer. Se añade la memoria del proyecto realizada en la Universidad de Miskolc, Hungría durante la estancia en programa de intercambio. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila I ÍNDICE GENERAL VOLUMEN I Memoria: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero VOLUMEN II Planos VOLUMEN III Memoria: Nullpoint system parts family design Proyecto de Fin de Carrera Ingeniería Industrial Nullpoint system parts family design – Diseño de un sistema de utillaje de punto cero VOLUMEN I MEMORIA: DISEÑO DE UN SISTEMA DE UTILLAJE DE PUNTO CERO UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila I ÍNDICE MEMORIA 1. Condicionantes del proyecto 1.1. Condicionantes impuestos por el promotor 1.2. Legislación 1.3. Del entorno físico que afectará a la máquina 1.3.1. Temperaturas 1.3.2. Suciedad 1.4. Mercado 1.4.1. Oferta 1.4.2. Demanda 1.4.3. Productos equivalentes existentes 1.4.4. Precios de los equipos sustitutivos del nuestro 1.5. Requerimientos de los posibles usuarios 1.6. Disponibilidad de bienes y servicios complementarios requeridos en la construcción de la máquina 2. Información básica 2.1. Mecanizado 2.2. Introducción a la mecánica del mecanizado 2.2.1. Torneado 2.2.2. Fresado 2.2.3. Taladrado 2.2.4. Rectificado 2.3. Automatización UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila II 2.4. Control Numérico 2.4.1. Elementos básicos de una máquina con CN 2.4.2. Ventajas 2.4.3. Desventajas 2.5. Sistemas de fabricación flexible 2.5.1. Principales características de la fabricación flexible 2.6. Concepto de utillaje 2.6.1. Funciones de utillaje 2.6.2. Componentes funcionales 2.6.3. Elementos de posicionamiento 2.6.4. Elementos de sujeción 2.6.5. Elementos de guiado 2.6.6. Elementos de soporte 2.6.7. Elementos de apriete 2.6.8. Tipos de utillaje 2.7. Precedentes 2.7.1. Clasificación general 2.8. Comparación y justificación de la tecnología de Punto Cero 2.8.1. Amarre manual 2.8.2. Amarre de Punto Cero 2.9. Tipos de utillaje de la familia de Punto Cero 2.9.1. Utillajes a nivel 2.9.2. Utillajes sobrepuestos 3. Situación actual UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 5 En los dos últimos siglos el significado del término “mecanizado” ha evolucionado, igual que la tecnología ha avanzado. Durante la era de la máquina, se refirió a (lo que podríamos llamar) los procesos de mecanizado tradicionales, tales como torneado, fresado, taladrado y rectificado. 2.2.1 Torneado Es la operación de mecanizado que produce piezas cilíndricas. En su forma básica, se puede definir como el mecanizado de una superficie externa: - Con la pieza de trabajo giratoria. - Con una herramienta de corte en un solo punto. - Con la herramienta de corte de alimentación en paralelo al eje de la pieza y a una distancia que eliminará la superficie exterior de contacto. 2.2.2 Fresado Consiste en el corte del material que se mecaniza con una herramienta rotativa de varios filos, que se llaman dientes, labios o plaquitas de metal duro, que ejecuta movimientos de avance programados de la mesa de trabajo en casi cualquier dirección de los tres ejes posibles en los que se puede desplazar la mesa donde va fijada la pieza que se mecaniza. 2.2.3 Taladrado Tiene por objeto producir agujeros cilíndricos en una pieza cualquiera, utilizando como herramienta una broca. La operación de taladrar se puede hacer con un taladro portátil, con una máquina taladradora, en un torno, en una fresadora, en un centro de mecanizado CNC o en una mandrinadora. 2.2.4 Rectificado Proceso de mecanizado a través de la muela de rectificar, que es una herramienta abrasiva para el arranque de viruta dentro de las operaciones de mecanizado con abrasivos. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 6 El mecanizado es una parte de la producción de diferentes productos metálicos, pero también puede usarse para la madera, plástico, cerámica, y compuestos. La mayoría de mecanizados actuales se realizan mediante control numérico computarizado (CNC), donde los ordenadores se usan para el control de los movimientos de las máquinas herramienta. 2.3 Automatización Sustitución del operador humano por dispositivos: neumáticos, electrónicos, magnéticos, hidráulicos… que funcionan en parte o totalmente solos. 2.4 Control Numérico El Control Numérico (CN) significa el control automático de la mecanización o del proceso, con la ayuda de números situados de forma codificada que definen el ciclo de operaciones que son necesarias efectuar sobre la pieza. Los comandos aplicados pueden estar programados externamente, o directamente desde el ordenador. Normalmente estos datos se guardan en lápices o tarjetas de memoria. 2.4.1 Elementos básicos en una máquina con CN  Programa de CN: contiene todas las instrucciones de manera codificada, para la realización del proceso de mecanización.  Control Numérico: interpreta las instrucciones, las convierte en señales adecuadas para enviarlas a los correspondientes accionamientos de la máquina, realizando los cálculos previos que sean necesarios, y comprueba los resultados obtenidos a partir de las señales provenientes de los correspondientes sensores, y captadores de posición y velocidad de la máquina.  La Máquina: ejecuta las operaciones previstas, mediante accionamientos aplicados a sus ejes y elementos auxiliares, tales como elementos de lubricación, refrigeración, recogida automática de viruta… UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 7 2.4.2 Ventajas  Mayor productividad (trayectorias y velocidades más ajustadas).  Mayor rendimiento de la máquina (no está influenciada por la fatiga del operario).  Mayor precisión, uniformidad y mejor acabado de la mecanización.  Repetividad (la máquina reproduce exactamente los comandos numéricos generados parte por parte, reproduciendo cada vez los mismos comandos).  Reglajes y ajustes más cortos.  Eliminación de tiempos muertos (aproximación a la pieza).  Reducción del porcentaje de piezas defectuosas (evitamos errores de operario).  Disminución de tiempos de inspección y control.  Podemos reducir el número de operarios, y a su vez, con menor nivel de cualificación.  La posibilidad de mecanizar piezas con difícil geometría y muchas veces imposible o con una elevada dificultad para mecanizar con máquinas convencionales. 2.4.3 Desventajas  Mayor inversión (maquinaria y elementos auxiliares).  Posibilidad de necesidad de utilización de un banco de pre-reglaje de herramientas.  Preparación del trabajo más detallada.  Se necesita una fase de programación (operarios cualificados).  Mantenimiento con técnicos más cualificados.  Mayor responsabilidad de los operarios al poner a su disposición una máquina más cara. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 8 Antes de empezar a mecanizar es importante considerar los siguientes puntos: 1. Punto origen o cero máquina (fabricante define sobre la máquina). 2. Tres ejes “X, Y, Z”. - Eje Z: Corresponde a la dirección del eje de accionamiento del máquina, es el que proporciona el movimiento o potencia de corte (cabezal). - Eje X: Es horizontal y perpendicular a Z, por tanto, paralelo a la superficie de sujeción de la pieza. - Eje Y: Se escoge de manera que con los ejes X y Z forme un triedro ortogonal. 3. Origen pieza. Una vez definidos las principales acciones y maquinaria automática es importante introducir diferentes sistemas de agarre para obtener las principales características requeridas en Sistemas de Fabricación Flexible durante operaciones de mecanizado, así como, flexibilidad, automatización, productividad, calidad y fiabilidad en los productos. 2.5 Sistema de fabricación flexible Por sistema de fabricación flexible se entiende un grupo de máquinas-herramientas de control numérico enlazadas entre sí mediante un sistema de transporte de piezas común y un sistema de control centralizado. Para cada pieza a fabricar, se dispone de programas de piezas comprobados y memorizados en una estación de datos central. Varias máquinas-herramientas CN diferentes (complementarias entre sí) o similares (redundantes) realizan los mecanizados necesarios en las piezas de una familia, de manera que el proceso de fabricación tiene lugar de modo automático. En lo posible, el desarrollo automático del mecanizado no debe interrumpirse debido a cambios manuales de herramientas o amarre. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 9 2.5.1 Principales características de la fabricación flexible  Flexibilidad: En cuanto a la forma, dimensiones, materiales y previsión de producto.  Automatización: En el mecanizado, cambio de herramienta, cambio de pieza, transporte, identificación, limpieza y verificación de piezas.  Productividad: Con el fin de incrementar la producción, cambio rápido de herramienta, cambio rápido de pieza, reducir fallos mecánicos y optimizar el mecanizado.  La calidad del producto: Asegurarlo a través de la inspección de piezas, máquinas de precisión, estabilidad térmica, estabilidad y rigidez de las maquinarias, autocorrección…  La fiabilidad del proceso: Gracias al control de desgaste, control de desviación, las condiciones del control de mecanizado, mantenimiento preventivo… 2.6 Concepto de utillaje Dispositivo utilizado para localizar y sujetar firmemente una pieza o conjunto de piezas respecto a un sistema de referencia de máquina, para que puedan ejecutarse las operaciones de fabricación necesarias conforme a las especificaciones de diseño y la planificación del proceso. 2.6.1 Funciones del utillaje  Con respecto a la pieza: - Posicionar de forma precisa y repetible las superficies de referencia de la pieza respecto al origen y los ejes de la base o la estructura para garantizar las tolerancias de forma y posición. - Fijar, inmovilizar sin deformar para soportar las acciones mecánicas y térmicas del proceso de fabricación, evitando deformaciones de pieza y utillaje, así evitar errores de posicionamiento y de forma.  Con respecto a la herramienta: UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 10 - Guiar y ajustar la trayectoria de la herramienta. - Facilitar la evacuación de la viruta, el acceso y la salida de la herramienta para posibilitar el mayor número de operaciones posibles.  Con respecto al sistema de fabricación: - Posicionar respecto al origen y los ejes de la máquina, como origen de programa de CNC. - Fijar a los carros de la máquina, para transmitir el movimiento programado. - Facilitar la manipulación, cambio de piezas, así reducir los tiempos no productivos. - Facilitar el mantenimiento, seguridad, higiene… 2.6.2 Componentes funcionales  Cuerpo La principal función es mantener la correcta relación espacial entre el resto de componentes (posicionadores, amarres y soportes) y servir de soporte para la manipulación del utillaje (carga y descarga de la máquina-herramienta y transporte por el SFF), es la pieza base del ensamblaje del utillaje. Ha de ser una estructura rígida, ya sea por fundición, soldadura o ensamblaje. Figura 2.2. Cuerpo “frame”. (Carrlane, 2012) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 11 2.6.3 Elementos de posicionamiento La función principal es restringir el movimiento de la pieza y referenciar su posición respecto al sistema de ejes de la estructura o la placa base. En contacto con la pieza sobre las superficies de referencia (planos, agujeros, perfiles exteriores), en su dirección normal. Eliminan un grado de libertad de traslación o rotación. Hay tres formas generales de posicionamiento: plano, concéntrico y radial. Los posicionadores planos posicionan una pieza de trabajo desde cualquier superficie. La superficie puede ser plana, curva o tener un contorno irregular. En la mayoría de las aplicaciones, los dispositivos de posicionamiento plano posicionan una pieza por sus superficies externas, como se muestra en la siguiente Figura 2.2. Figura 2.3. Posicionamiento plano. (Carrlane, 2012) Los posicionadores concéntricos, en su mayoría, posicionan una pieza de trabajo desde un eje central. Este eje puede o no estar en el centro de la pieza de trabajo. Figura 2.4. Posicionamiento concéntrico. (Carrlane, 2012) Los posicionadores radiales restringen el movimiento de una pieza de trabajo en torno a un posicionador concéntrico. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 12 Figura 2.5. Posicionamiento radial. (Carrlane, 2012) 2.6.4 Elementos de sujeción La función de los elementos de sujeción es proporcionar la fuerza de apriete necesaria para mantener la pieza de forma segura contra los elementos de posicionamiento, sin deformarla ni dañarla y facilitando su carga/descarga. Están en contacto con la pieza, en oposición a los elementos de apoyo, y eliminan uno o varios grados de libertad de traslación o rotación según colocación. Los elementos de sujeción se caracterizan por tener una parte móvil, y pueden ser da apriete rápido o progresivo. Existen diferentes principios, ya sean sujetados mecánicamente, por magnetismo o potencia. La fuente de energía puede ser manual, neumática o hidráulica. Los métodos de sujeción pueden ser:  Entre puntos.  Concéntrico.  Tornillo de presión.  Bridas de sujeción.  Cuñas, topes tangentes.  Sujeción magnética. Figura 2.6. Elementos de sujeción “clamps”. (Carrlane, 2012) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 13 2.6.5 Elementos de guiado Tienen la función de guiar y mantener la posición de la herramienta durante el proceso de fabricación. Algunos ejemplos de elementos de guiado son las guías de taladro y escariado. 2.6.6 Elementos de soporte Tienen la función de evitar la flexión de la pieza bajo la acción de las fuerzas de corte o las fuerzas de amarre, a su vez, servir de apoyo al resto de elementos para colocarlos en las posiciones deseadas. Algunos ejemplos son las escuadras, gatos, cubos… 2.6.7 Elementos de apriete Tienen la función de unir los componentes. Algunos ejemplos son los tornillos, arandelas, tuercas, pasadores… Una vez descritos los elementos funcionales sobre los utillajes de mecanizado, a continuación se describen los tres grupos importantes de utillajes en función de la productividad y versatilidad de estos, ya sean utillajes estándar o de propósito general, utillajes dedicados o específicos y utillajes flexibles. 2.6.8 Tipos de utillaje  Utillajes estándar o de propósito general: Se usan para bajo volumen de producción. Las principales características son: - Versatilidad. - Baja inversión. - Bajo tiempo de introducción. - Inviables para automatización. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 14 Algunos ejemplos: - Mordazas. - Bridas. - Platos de garras. - Mandrinos. Figura 2.7. Ejemplo de utillaje estándar, plato de garras. (Tormach, 2013)  Utillajes dedicados o específicos: Para operaciones y componentes específicos en altos volúmenes de producción. Las principales características son: - Automatización. - Repetibilidad. - Alta inversión y tiempo de desarrollo. - Diseño específico según la planificación del proceso. - Compacto. - Escasamente reutilizable. - Elevado coste de almacenamiento. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 21 3.2.1 Utillaje de sujeción mediante un cuerpo de sujeción y portador de piezas conectado al mismo Inventor: Karl Fries Número de patente: 6799758 B2 Fecha: 5 Oct. 2004 El aparato de amarre está compuesto por un cuerpo de sujeción 1 y un portador de piezas 40 conectado al mismo. El cuerpo de sujeción 1 está provisto de un agujero central 2 para poder recibir la boquilla de bloqueo 30 unida a al portador de piezas 40. El agujero central del cuerpo de sujeción tiene una entrada cónica 3, para favorecer la entrada de la boquilla de bloqueo, que ésta también un final cónico. Así podemos alienar el utillaje para cualquier fuerza de entrada y desviación sobre los ejes de dirección X – Y. El cuerpo de sujeción 1 tiene un mecanismo de bloqueo o fijación 20 para la boquilla 40. Observamos que el cuerpo de sujeción está formado por una cara superior externa 5, que sirve de tope sobre el eje Z. La boquilla de bloqueo 30 está dimensionada, en principio, para activar el mecanismo de bloqueo 20, existe un espacio entre el la cara inferior del portador de piezas 40 y la cara superior del cuerpo de sujeción 1. La boquilla 30 y la región alrededor de la apertura central del cuerpo de sujeción están adaptadas para ser adaptarse y bloquearse cuando se activa el mecanismo de bloqueo 20, suportando los esfuerzos de la boquilla 30 sobre la ranura 2, y al mismo tiempo el portador de piezas 40 hacer de tope sobre el eje Z. Observando el corte longitudinal del utillaje de sujeción 1, junto el portador de piezas 40¸ vemos que este está compuesto por muelles de compresión 23, 25. Los muelles proporcionan la fuerza suficiente para empujar el pistón móvil central 10 y ejercer la fuerza de bloqueo sobre la boquilla 30. El bloqueo de la boquilla viene determinado por el enclavamiento de las bolas 15 situadas en una pieza interior fija 12. Para facilitar el entendimiento del diseño de esta patente a continuación se muestran dos figuras, una sobre la sección de este desbloqueado, y la otra sobre un corte seccionado cuando el utillaje está bloqueado. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 22 Figura 3.1. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido desbloqueado. (Google patentes, 2004) Figura 3.2. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido bloqueado. (Google patentes, 2004) 3.2.2 Utillaje de sujeción mediante un cuerpo de sujeción y portador de piezas conectado al mismo Inventor: Emil Stark Número de patente: 5961261 Fecha: 5 Oct. 1999 El presente invento se refiere a un utillaje de sujeción, formado por un cuerpo de sujeción 1 y una boquilla de bloqueo extraíble 21. El cuerpo de sujeción 1 está contiene UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 23 una ranura o cilíndrica 2 que atraviesa todo el cuerpo y se adaptado para alojar la boquilla de bloqueo 21 y bloquearla. El cuerpo de sujeción tiene dos entradas laterales cilíndricas 3, 4, para la entrada de aire y aceite. Por medio de la boquilla de entrada inferior 4 se introduce aceite en la cámara de presión 7 situada entre la cara interna inferior del cilindro 1 y la cara inferior del pistón interno móvil 5. El movimiento vertical de subida del pistón móvil 5 viene generado por el llenado de aceite en la cámara de presión, el movimiento de bajada del pistón móvil 5 viene generado por el efecto de la colocación de uno a varios muelles de compresión 9, colocados en diferentes alojamientos 8 del pistón móvil 5. La cámara de presión 7 se extiende por debajo del pistón 6, conectado a otra cámara de presión 19, que está compuesta por el pistón inferior 6 y el pistón de bloqueo/desbloqueo 18. El pistón de bloqueo 18 está unido con el pistón móvil 5 mediante las caras inclinadas 16. Por la parte superior de pistón móvil 5 se permite la entrada de aire generado una cámara de limpieza 39. Este fluido se dirige a las boquillas por medio de orificios asociados. Una boquilla 11 recibe el fluido de la cámara 39 y lo conduce a un canal de distribución 12. Este canal de distribución 12 está conectado a otros canales 13, provistos de boquillas 14,15. Cualquier suciedad acumulada en los huecos 40, son retirados por las boquillas de limpieza 14, 15. Figura 3.3. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido. (Google patentes, 1999) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 24 3.2.3 Utillaje de sujeción mediante un cuerpo de sujeción y portador de piezas conectado al mismo Inventor: Günther Stark Número de patente: 1743733 B1 Fecha: 19 Dic. 2007 El presente invento está compuesto por una boquilla extraíble 2, que está conectada por mediante un tornillo 40 para la sujeción de las piezas, con el pallet 39. El utillaje de cambio rápido 1 forma una caja encajonamiento cerrado 18. Este encajonamiento cerrado 18 dispone de un pistón 6 móvil interno que queda presionado en la posición de deslizamiento superior por la fuerza de los muelles 12, que al mismo tiempo queda activan el mecanismo de bloqueo de las bolas 5, contra la cara externa de la boquilla extraíble 2. El alojamiento de las bolas queda totalmente cerrado por el contacto con las pistas de deslizamiento superior e inferior 8, 9. El pistón móvil 6 tiene un bisel 10 que sirve para abrir el dispositivo de bloqueo 5 lo más rápido posible para poder desalojar la boquilla de extraíble 2. El aceite presurizado se introduce el abastecimiento 13 a través del canal de alimentación 14 para la cámara de aceite 29 y el intersticio radial 16. La Fig. 3.5., muestra el utillaje desbloqueado, donde se puede ver el abastecimiento de presión 13, el aceite a presión se introduce en la cámara de aceite 29 y por tanto el pistón móvil 6 queda desplazado hacia la parte inferior a través de la cámara del cilindro inferior 11 comprimiendo los muelles 12 y liberando el movimiento de las bolas 5 para el desbloqueo del utillaje. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 25 Figura 3.4. Vista seccionada del utillaje de sujeción. (Google patents, 2004) Figura 3.5. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido desbloqueado. (Google patents, 2004) 3.2.4 Utillaje de sujeción de cambio rápido con salida de fluido Inventor: Emil Stark Número de patente: 6073325 Fecha: 12 Jun. 2000 El siguiente invento de utillaje de cambio rápido 1, está formado por un cuerpo de sujeción 2 el cual tiene un pistón móvil hidráulico 9 alojado en su interior. El utillaje de cambio rápido 1 queda cerrado con una tapa superior 7, ensamblada con el cuerpo de sujeción 2 por un conjunto de tornillos 13. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 26 Está formado por una boquilla de extraíble 3, cuando la boquilla se introduce en el agujero central 11, queda bloqueada por la acción de los muelles de compresión 4. El bloqueo se produce mediante las el mecanismo de bolas 17, montadas en la jaula de bolas 16. La jaula de bolas se apoya contra el pistón móvil hidráulico 9 por medio de un anillo 15. Las bolas 17 entonces son alojadas en un espaciado anular 24 de la jaula de bolas. En la posición de bloqueo de la Fig. 3.6., las bolas 17 están en contacto con la ranura anular 22, dispuesta en el perímetro exterior de la boquilla extraíble 3. Al mismo tiempo, las bolas 17 se encuentran en contacto con una la ranura anular 23 del pistón hidráulico 9. Para el desbloqueo, existe una cámara de presión 20, que está situada entre el pistón móvil 9 y la parte inferior 2 del cuerpo de sujeción. Se actúa mediante un dispositivo de suministro de aceite 19 y el canal de abastecimiento 18, empujando el pistón móvil hacia arriba. Este movimiento aplica fuerza sobre el anillo 15, el cual empuja la jaula de bolas 16 hacia arriba. Continuando con el desplazamiento hacia arriba del pistón hidráulico 9, las bolas 17 alcanzan la posición de la ranura anular 23 saliendo radialmente hacia fuera para el pistón hidráulico 9, con lo cual pierden el contacto con la ranura 22 desbloqueando la boquilla extraíble 3. Figura 3.6. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido bloqueado. (Google patents, 2000) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 27 Figura 3.7. Vista seccionada del utillaje de cambio rápido desbloqueado (Google patents, 2000) 3.3 Análisis de mercado En el siguiente apartado se desarrolla una búsqueda y análisis de algunos de los principales fabricantes de este tipo de utillaje con el fin de comparar los diferentes modelos ofrecidos por cada uno, analizar los principales modelos de cada fabricante, los principios de funcionamiento de los modelos y contrastarlo con una tabla comparativa entre éstos. 3.3.1 Stark Principales utillajes del fabricante Stark:  Speedy classic 1  Speedy classic 2  Speedy classic 3 Estos modelos tienen dos posiciones de trabajo: enclavamiento y desbloqueo.  Enclavamiento: se activa mecánicamente. - Sistema hidráulico está despresurizado, la presión de aceite está a 0 bar. - El pre ajuste de los muelles se aplica mediante el pistón móvil 2, el pistón se mueve hacia abajo. Se alinea el encaje de la boquilla extraíble 9, posicionada con precisión. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 28 - Se colocan las bolas 8 entre el pistón móvil y la boquilla extraíble en el contorno establecido. - El pre ajuste de los muelles 7 a tracción hace que actúen directamente hacia abajo manteniendo el bloqueo del pistón móvil y la boquilla extraíble.  Desbloqueo: - Se aplica presión hidráulica 1 hacia el pistón móvil 2, moviéndose este hacia arriba. Se comprime el conjunto de los muelles 3. - Las bolas 4 alojadas en la jaula 5 se mueven hacia fuera, posicionándose en la ranura del pistón móvil. - La boquilla extraíble 6 se desplaza hasta liberarse del pistón móvil. Figura 3.8. Sección del modelo Speedy classic. (Stark, 2013) La principales diferencias entre los tres modelos de Stark, son la variación de dimensiones referente a las boquillas extraíbles, la fuerza de inserción, fuerza de retención, repetibilidad y el diámetro máximo.  Fuerza de inserción: UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 29 La fuerza de inserción se refiere a la fuerza con la que se introduce la boquilla extraíble hacia el interior del utillaje y queda sujeta en el mecanismo de bloqueo.  Fuerza de retención: La fuerza de retención hace referencia a la máxima fuerza axial permitida por la boquilla extraíble.  Repetibilidad: La repetibilidad hace referencia al margen de tolerancia entre el punto de referencia entre la máquina-herramienta y la pieza entre cambio de piezas en el utillaje. En la siguiente tabla se muestran las principales características de cada modelo: Tabla 3.1. Características Stark. Caract. Modelo Fuerza de inserción (N) Fuerza de retención (N) Repetibilidad (mm) Diámetro máximo (mm) Speedy Classic 1 6700 25000 < 0,005 105 Speedy Classic 2 20000 38000 < 0,005 135 Speedy Classic 3 30000 55000 <0,005 176 3.3.2 Jergens Principales utillajes del fabricante Jergens:  ZPS K10  ZPS K20  ZPS K40 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 30 Estos tres modelos están diseñados para funcionamiento hidráulico y neumático, la descripción de operación es la mima, cambiando el fluido ya sea aceite o aire.  Enclavamiento: se activa mecánicamente. - Sistema hidráulico / neumático está despresurizado, la presión está a 0 bar. - El pre ajuste de los muelles se aplica mediante el pistón móvil 4, el pistón se mueve hacia abajo. Se alinea el encaje de la boquilla extraíble 5, posicionada con precisión. - Se colocan las bolas 1 entre el pistón móvil y la boquilla extraíble en el contorno establecido. - El pre ajuste de los muelles 2 a tracción hace que actúen directamente hacia abajo manteniendo el bloqueo del pistón móvil y la boquilla extraíble.  Desbloqueo: puede ser activado hidráulicamente o neumáticamente. - Se aplica presión hidráulica o neumática hacia el pistón móvil 4, moviéndose este hacia arriba. Se comprime el conjunto de los muelles 2. - Las bolas 1 alojadas en la jaula 5 se mueven hacia fuera, posicionándose en la ranura del pistón móvil. - La boquilla extraíble 5 se desplaza hasta liberarse del pistón móvil. Figura 3.9. Sección del modelo Jergens. (Jergens, 2013) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 37 proteger la entrada de suciedad y líquido refrigerante en el orificio de la boquilla extraíble durante las mecanizaciones. En la parte central tiene un agujero pasante con un chaflán cónico para guiar el centrado de la boquilla extraíble y facilitarle la entrada y salida. Figura 4.4. Sección tapa superior. Respecto a la parte interior, la tapa tiene mecanizados doce agujeros equidistantes para alojar los muelles de compresión internos de 12 mm de diámetro, la finalidad de estos muelles es de ejercer una fuerza uniforme sobre el pistón interior móvil para mantener la posición de bloqueo de la boquilla extraíble. El interior de la tapa también se destina a alojar las bolas del mecanismo de bloqueo mediante la pista de rodadura y permitir el movimiento radial de estas para el bloqueo y desbloqueo del mecanismo. Figura 4.5. Vista inferior de la tapa superior.  Pistón interior móvil El pistón interior móvil es un componente interno del utillaje, las dimensiones del pistón se ajustan a las dimensiones de las dos tapas, superior e inferior, y al tamaño de UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 38 los muelles. El pistón tiene doce agujeros para el alojamiento de los muelles de compresión que irán encarados y alineados con la tapa superior. El pistón interior móvil tiene libertad de movimiento lineal en el espacio interior del utillaje comprendido entre las dos tapas. Observando esta pieza, respecto a la cara circunferencial externa se observa el mecanizad de una ranura diametral, la finalidad de esta ranura es alojar la junta tórica y los anillos de apoyo para el ajuste del pistón con respecto al cara circunferencial interna de la tapa inferior y lograr así la estanqueidad necesaria para que no haya fugas al aplicar la presión de desbloqueo. Respecto a la cara circunferencial interna también se observa de una ranura diametral con la misma finalidad que la exterior, alojar la junta tórica y anillo de retención. Figura 4.6. Pistón interior móvil. En la cara circunferencial interna también dispone de una ranura diametral cónica, la finalidad de esta ranura es alojar las bolas del mecanismo de bloqueo para la liberación de la boquilla extraíble, la forma cónica de la ranura es para facilitar el deslizamiento de la bolas y además de que esté desplazamiento de realice de una manera progresiva durante las acciones de bloqueo y extracción de la boquilla. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 39 Figura 4.7. Sección del pistón interior móvil. Figura 4.8. Detalle sobre la liberación de las bolas de bloqueo.  Alojamiento de bolas inferior El alojamiento de bolas inferior tiene dos propósitos principales, por un lado alojar las bolas del mecanismo de bloqueo y servir de pista de rodadura con la cara superior. Por otro, es el de guiar el movimiento lineal del pistón interior móvil con la cara circunferencial externa durante la compresión y extensión de los muelles. En la parte inferior de la pieza existe una variación de diámetro que sirve para alojarse en el interior de la tapa inferior, esta encaje se realizará muy ajustado, a presión, para garantizar que no haya movimiento. Además como se observa en la Fig. 4.9. también tiene una ranura para alojar la junta tórica y garantizar la estanqueidad del interior del utillaje, no es necesario el uso de anillos de apoyo ya que no es una parte móvil. Figura 4.9. Sección del alojamiento de bolas inferior. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 40  Boquilla extraíble La boquilla extraíble tiene una forma cilíndrica con diferentes rebajes. El extremo inferior de la boquilla tiene forma cónica para facilitar el centrado y guiado de la boquilla en el utillaje, más concretamente en la tapa superior. El siguiente rebaje se realiza con la forma circunferencial de las bolas de bloqueo con el propósito de alojar parte de las bolas y generar el bloqueo de la boquilla. Figura 4.10. Detalle de la boquilla bloqueada. Respecto al otro extremo de la boquilla, la parte superior, está dispuesta de un rebaje cónico para el ajuste con la tapa superior del utillaje. Otra de las finalidades de la boquilla extraíble es la de ejercer como soporte y fijación de las piezas a mecanizar, por eso dispone de un agujero pasante interior para permitir el paso del tornillo que se roscara en el material en bruto y así poder amarrar el material al utillaje de la familia de Punto Cero. Figura 4.11. Sección de la boquilla extraíble. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 41 4.2.2 Fuerza de inserción. Para proceder al diseño del utillaje, se parte de un esquema ilustrativo de los esfuerzos a los que se someterá el utillaje durante la mecanización de las piezas. Tomando como ejemplo el utillaje anclado sobre la mesa de trabajo de la máquinaherramienta, sobre el utillaje se posicionará el macizo de material bruto que se quiere mecanizar. Para la resolución de los esfuerzos se considerará el caso más desfavorable durante el mecanizado, dónde se aplica la fuerza de ataque en la esquina lateral superior generando el mayor momento sobre el punto máximo de vuelco, y, así garantizar la sujeción de la pieza en cualquier otra posición de ataque. Figura 4.12. Esquema de trabajo utillaje. Tabla 4.1. Datos material base, acero. DATOS MATERIAL BASE H (m) L (m) P (m) V (m3) ρ (N/m3) Peso (N) Peso (kg) 0,30 0,40 0,40 0,05 78500 3768 376,8 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 42 Tabla 4.2. Datos esquema. DATOS Fv (N) FI (N) LA (m) Ø utillaje (m) 4000 3768,0 0,25 0,107 A partir de las tablas anteriores podemos obtener los esfuerzos soportados por el utillaje:  Momento máximo de vuelco: Para garantizar el agarre del utillaje sobre la bancada de la máquina de la pieza durante la mecanización, ha de cumplirse que Mi sea mayor a Mv, por tanto establecemos un coeficiente de seguridad de 2 para garantizar el enclavamiento: Calculamos la fuerza de inserción mínima que ha de aguantar el utillaje en función del diámetro y el peso del material en bruto: Dónde: - L: Longitud del material bruto. - H: Altura del material bruto. - P: Profundidad del material bruto. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 43 - La: Altura de ataque mecanizado. - Fv: Fuerza de ataque mecanizado, de la máquina sobre la pieza. - Fi: Fuerza inserción del utillaje. - Mv: Momento máximo generado por la fuerza de ataque. - Mi: Momento generado por la fuerza de inserción respecto el punto de vuelco. 4.2.3 Dimensionado de los muelles internos. Para el diseño del utillaje se usan resortes de compresión, de sección redonda y paso uniforme. Para conseguir un buen apoyo y funcionamiento correcto, los extremos del resorte han de presentar superficies de apoyo planas y perpendiculares, por este motivo, se usarán muelles de extremo simple y rectificado. Figura 4.13. Muelle de extremo simple y rectificado. Para el diseño del utillaje se determinan 12 muelles alojados en el interior de este, entre la tapa superior y la parte central móvil, capaces de generar la tracción repartida uniformemente sobre el pistón interior móvil para el movimiento lineal descendente asentando el pistón sobre la cara interior de la tapa inferior, de esta forma se garantiza el bloqueo de la boquilla durante el mecanizado. Para determinar las dimensiones de los muelles, los datos de partida son: - Diámetro exterior utillaje: 107 mm - Diámetro interior - parte móvil: 77 mm UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 44 Tabla 4.3. Datos muelles Vanel. Para el diseño de los muelles internos, se escogen muelles a compresión del fabricante Vanel, a continuación se definen los diferentes parámetros de los resortes de compresión, así como los valores definidos para el diseño del utillaje: - Diámetro exterior, dimensión de la superficie cilíndrica envolvente exterior del resorte: De = 12 mm - Diámetro del alambre: d = 2,25 mm - Diámetro medio, es el diámetro exterior menos el diámetro del alambre: D = De – d = 12 mm – 2,25 mm D = 9,75 mm - Longitud libre, es la longitud total medida en paralelo al eje cuando el resorte esta libre o sin carga: Lo = 25 mm El número de espiras se define como el número de vueltas del alambre. Se distingue entre el número de espiras totales, Nt, y el número de espiras activas, Na. La diferencia entre Nt y Na es igual al número de espiras inactivas, que son las espiras en los extremos. - Espiras activas, Na: Na = 5 - Espiras en extremos, debido a que los resortes utilizados son de extremos simples y rectificados: Ne = 1 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 45 - Longitud sólida, es la longitud del resorte cuando este está cargado con la fuerza suficiente como para cerrar todas sus espiras: Ls = d · Nt Ls = 2 · 6 - Para el alojamiento de los muelles se recomienda dar una holgura diametral, DE, inicial de una décima del diámetro del alambre de los resortes de diámetro 12 mm o mayor: Teniendo en cuenta que el índice de rigidez de cada muelle es de 52,7664 N/mm, podemos calcular el índice de rigidez total aportado por el conjunto de los 12 muelles: A partir de la constante de rigidez total, se procede al cálculo de la presión de liberación de la boquilla extraíble. Entonces: Por tanto la presión hidráulica que se deberá aplicar para garantizar la compresión de los resortes y así desbloquear la boquilla extraíble, será como mínimo de 26 bares. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 46 4.2.4 Acabados superficiales Respecto a las características de los acabados superficiales que se establecen en los planos de diseño, a continuación se describe la justificación referente a la rugosidad superficial de las piezas y a las tolerancias.  Rugosidad superficial Se establecen dos tipos de rugosidad superficial principales para el diseño de las piezas: Ra = 0.8 para todas superficies de movimiento. Ra = 0.8 – 1.6 para todas las superficies estáticas. Las principales superficies de movimiento se establecen: - Entre la cara externa de la boquilla extraíble y el agujero central de la tapa superior. - Entre las bolas y las pistas de deslizamiento de la tapa superior e inferior. - Entre el pistón interior móvil (alojamiento de muelles) y la cara interna de la tapa inferior, y la cara externa del alojamiento inferior de bolas. Por lo general todas las demás caras se consideran estáticas.  Tolerancias Las tolerancias dimensionales para la fabricación de las piezas indicadas en los planos de diseño se establecen entre: - La boquilla extraíble (g5) y la tapa superior (H6). - Pistón móvil interior (g5) y la tapa inferior (H6). - Pistón móvil interior (g5) y el alojamiento de bolas inferior (H6). - Tapa inferior (H6) y alojamiento de bolas inferior (j6). - Alojamiento de muelles (H10) y los muelles. - Pistas de deslizamiento de las bolas (H6) con las bolas. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 53  B12 Cinta Morada El B12 Cinta Morada es un bronce de alta resistencia al desgaste especial para la fabricación de coronas para reductores y ascensores, ruedas dentadas así como tuercas sometidas a grandes esfuerzos, cojinetes y casquillería con buenas características de rozamiento y resistente a las fuertes presiones y choques. Resistente a la corrosión. A continuación se muestra la tabla con las diferentes propiedades de este bronce: Tabla 4.8. Propiedades del B12 Cinta Morada. (broncesval.com) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 54 5 ESTUDIO ECONÓMICO 5.1 Mediciones En este apartado se procede a realizar el conjunto de las mediciones necesarias en componentes, ingeniería de diseño, y tiempos (aproximados) de mecanización para poder fabricar el utillaje y con el fin de poder realizar un presupuesto para analizar los costes de fabricación de la herramienta. Las mediciones de la máquina se han hecho a partir de dos capítulos diferentes y las respectivas partidas de cada capítulo. 5.1.1 CAPÍTULO 1: Coste de fabricación de la herramienta Para determinar este capítulo, se realizarán las mediciones de las siguientes partidas: - Medición total de operaciones. - Medición de materiales.  Medición total de operaciones Para el coste total de operaciones en la siguiente tabla se recogen los tiempos importantes, en base a diferentes aspectos, separados por tiempos de mecanizado, equivalentes a los tiempos de uso de maquinaria, y tiempos totales igual a la suma de los manuales y de mecanizado, en minutos. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 55 Tabla 5.1. Tiempos reales por pieza. TIEMPOS REALES POR PIEZA PIEZA Tiempos de mecanizado (min) Tiempos totales (manuales y mecanizado) (min) Boquilla 2,5 20 Tapa superior 5 40 Tapa inferior 5 40 Alojamiento de muelles móvil 5 40 Alojamiento bolas inferior 2,2 20 Montaje y ensamblado - 60 TOTAL 19,7 220  Medición de materiales Para el coste del material se dividirá la partida en dos subconjuntos, por un lado los componentes de compra directa y los componentes fabricados a partir de la compra de material en bruto. Tabla 5.2. Medición componentes comprados. DESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD Tornillo DIN 912 - M6x25 u 8 Tornillo DIN 912 - M8x45 u 1 Junta tórica DIN 3771 - 2 mm u 1 Muelles u 12 Anillo de apoyo DIN 3771 u 1 Junta tórica DIN 3771 - 2.4 mm u 1 Junta tórica DIN 3771 - 4 mm u 1 Anillo de apoyo DIN 3771 u 2 Bolas AISI 52100 u 7 Junta tórica DIN 3771 - 2 mm u 1 Racor neumático SO11 - 1/8" u 1 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 56 Tabla 5.3. Medición componentes fabricados. PIEZA DESCRIPCIÓN CANTIDAD LONGITUD (m) PESO (kg/m) PESO TOTAL (kg) Boquilla Barra redonda 30 mm 1 0,1 5,5 0,55 Tapa superior Barra redonda 120 mm 1 0,1 88,8 8,88 Tapa inferior Barra redonda 120 mm 1 0,1 88,8 8,88 Alojamiento de muelles móvil Barra redonda 80 mm 1 0,1 44,7 4,47 Alojamiento bolas inferior Barra redonda 35 mm 1 0,1 7,6 0,76 5.1.2 CAPÍTULO 2: Coste total del diseño Para determinar éste capítulo se realizará la medición de las horas estipuladas a la elaboración del PFC por un estudiante de ingeniería, correspondientes al diseño, justificación de cálculos y modelado en 3D del utillaje. Tabla 5.4. Medición ingeniería. DESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD Proyectista h 450 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 57 5.2 Presupuesto Para efectuar la valoración y cálculo presupuestario se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones: El coste total para la elaboración del utillaje resulta la suma de los siguientes capítulos: - CAPÍTULO 1: Coste total de la fabricación de la herramienta (CT fab). - CAPÍTULO 2: Coste total del diseño (CT diseño). CT = CT fab + CT diseño Para determinar cada capítulo del coste total, se ha de evaluar cada uno por separado y calcular los costes que influyen en éste en las diferentes partidas, y en cada concepto de cada partida. 5.2.1 CAPÍTULO 1: Coste de fabricación de la herramienta El coste total de fabricación se obtiene de la suma de las diferentes partidas:  El coste total de operaciones (CTOP).  El coste del material (CMAT). CT FAB = CTOP + CMAT En cada partida se tendrán en cuenta los diferentes conceptos para la suma del presupuesto.  Coste total de operaciones El coste total de operaciones se desglosa en los dos conceptos siguientes: 1. Coste de total de maquinaria. 2. Costes de mano de obra. CTOP = CMAQ + CMAN UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 58 1. Coste total de maquinaria: El coste total de maquinaria se puede separar en función de si se utiliza el torno o la fresadora para la mecanización de las piezas. Los precios de maquinaria incluyen los costes de herramienta, incluyendo plaquitas para cilindrado, refrentado, mandrinado… para realizar las operaciones básicas, y la mano de obra del operario durante la mecanización. Se obtienen de multiplicar las horas que está en funcionamiento por el precio estipulado por horas. - Precio funcionamiento de Torno: 30 €/h - Precio funcionamiento Fresa: 60 €/h 2. Coste de mano de obra El coste de mano de obra se calcula a partir las horas totales manuales que el operario necesita para la preparación de las piezas en la maquinaria, y posteriormente el montaje y ensamblaje del utillaje. Se considera salario operario: 28 €/h  Coste del material El coste del material se puede separar en dos grupos, por un lado los componentes de compra directa ya fabricados, y por otro la compra de materiales en bruto para la fabricación de componentes. La compra de materiales en bruto se pagará por los kilogramos de material solicitado. En nuestro caso para los materiales en bruto comprados se estimas los siguientes precios: - M333 ISOPLAST: 15 €/kg - B12 Cinta Morada: 17 €/kg UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 59 Considerando que el pedido del material en bruto siempre es mayor que la pieza a elaborar, puede que haya bastante material sobrante. Con este material puede optarse por diferentes cosas: - Repetición de alguna de las piezas en caso de error durante la fabricación de la misma, considerando que es la primera vez que se fabrica. - Guardar el material para realizar diferentes útiles para el taller en la prosperidad. - Vender el material bruto sobrante como chatarra, y así recuperar parte de la inversión. 5.2.2 CAPÍTULO 2: Coste total del diseño  Justificación de cálculos y modelado Este coste podría estar cubierto por las horas dedicadas de un estudiante durante la elaboración del proyecto. Sabiendo que las horas totales estipuladas para el PFC son de 450h. En base al salario estipulado para un estudiante de ingeniería, el coste por hora trabajada ascendería a 4 €. Salario becario: 4 €/h. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 60 5.2.3 Costes totales A continuación se muestran los cálculos obtenidos de los costes totales por capítulos y partidas respectivos:  CAPÍTULO 1: Coste de fabricación de la herramienta Tabla 5.5. Coste total de maquinaria. COSTES DE MÁQUINA Máquina Unidad Cantidad Precio/u (€) COSTE (€) Torno convencional h 0,24 30 7,20 Fresadora convencional h 0,1 60 6,00 TOTAL 13,20 Tabla 5.6. Coste total mano de obra. COSTE DE MANO DE OBRA Concepto Unidad Cantidad Precio/u (€) COSTE (€) Operario h 3,34 30 100,15 TOTAL 100,15 Ascendiendo el coste total de operaciones a: 113,35 € Tabla 5.6. Coste del material. COSTES DE MATERIAL Descripción Unidad Cantidad Precio/u (€) COSTE (€) Tornillo DIN 912 - M6x25 u 8 0,09 0,72 Tornillo DIN 912 - M8x45 u 1 0,25 0,25 Junta tórica DIN 3771 - 2 mm u 1 0,79 0,79 Muelles u 12 4,42 53,04 Anillo de apoyo DIN 3771 u 1 0,10 0,10 Junta tórica DIN 3771 - 2.4 mm u 1 0,79 0,79 Junta tórica DIN 3771 - 4 mm u 1 0,79 0,79 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 61 Anillo de apoyo DIN 3771 u 2 0,10 0,20 Bolas AISI 52100 u 7 0,78 5,46 Junta tórica DIN 3771 - 2 mm u 1 0,79 0,79 Racor neumático SO11 - 1/8" u 1 2,01 2,01 Barra redonda M333 ISOPLAST 30 mm kg 0,6 15,00 8,32 Barra redonda M333 ISOPLAST 120 mm kg 9 15,00 133,17 Barra redonda M333 ISOPLAST 120 mm kg 9 15,00 133,17 Barra redonda B12 Cinta Morada 80 mm kg 4,5 17,00 75,97 Barra redonda M333 ISOPLAST 35 mm kg 0,8 15,00 11,33 TOTAL 426,90 Ascendiendo el coste total de material a: 426,90 €  CAPÍTULO 2: Coste total del diseño Tabla 5.7. Diseño, justificación de cálculos y modelado en 3D. COSTE DE DISEÑO Concepto Unidad Cantidad Precio/u (€) COSTE (€) Ingeniería h 450 4 1800,00 TOTAL 1800,00 Ascendiendo el coste total de cálculos y modelado a: 1800,00 € UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 62 5.2.4 RESUMEN DEL PRESUPUESTO CAPÍTULO RESUMEN EUROS 1 COSTE DE FABRICACIÓN DE LA HERRAMIENTA 540,25 2 COSTE TOTAL DE DISEÑO 1800,00 TOTAL EJECUCIÓN MATERIAL 2340,25 8% Gastos Generales 187,22 2% Bienes Industriales 93,61 SUMA DE G.G y B.I. 280,83 21% I.V.A. 491,45 TOTAL PRESUPUESTO CONTRATA 3112,54 TOTAL PRESUPUESTO GENERAL 3112,54 Asciende el presupuesto general a la expresada cantidad de TRES MIL CIENTO DOCE CON CINCUENTA Y CUATRO CÉNTIMOS DE EURO. Zaragoza, a 2 de septiembre de 2014 El promotor La dirección facultativa UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 69 Figura 3.10. Sección del modelo Safe. (Vischer & Bolli, 2013) Figura 4.1. Utillaje de la familia de Punto Cero. Figura 4.2. Sección del modelo diseñado de la familia de Punto Cero. Figura 4.3. Sección de la tapa inferior Figura 4.4. Sección tapa superior. Figura 4.5. Vista inferior de la tapa superior. Figura 4.6. Pistón interior móvil. Figura 4.7. Sección del pistón interior móvil. Figura 4.8. Detalle sobre la liberación de las bolas de bloqueo. Figura 4.9. Sección del alojamiento de bolas inferior. Figura 4.10. Detalle de la boquilla bloqueada. Figura 4.11. Sección de la boquilla extraíble. Figura 4.12. Esquema de trabajo utillaje. Figura 4.13. Muelle de extremo simple y rectificado. Figura 4.14. Gráfico energía de flexión por impacto de M333 ISOPLAST. (acerosbohler.com) Figura 4.15. Resistencia a la corrosión de aceros al cromo al 13%. (acerosbohler.com) Figura 4.16. Resistencia a la corrosión de aceros al cromo al 13%. (acerosbohler.com) UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 70 8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Características Stark. Tabla 3.2. Características Jergens. Tabla 3.3. Características V&B. Tabla 3.4. Especificaciones técnicas. Tabla 4.1. Datos material base, acero. Tabla 4.2. Datos esquema. Tabla 4.3. Datos muelles Vanel. Tabla 4.4. Características generales M333 ISOPLAST. Tabla 4.5. Composición química M333 ISOPLAST. Tabla 4.6. Parámetros recomendados en función de la mecanización. (acerosbohler.com) Tabla 4.7. Gama de medidas de suministro. (acerosbohler.com) Tabla 4.8. Propiedades del B12 Cinta Morada. (broncesval.com) Tabla 5.1. Tiempos reales por pieza. Tabla 5.2. Medición componentes comprados. Tabla 5.3. Medición componentes fabricados. Tabla 5.4. Medición ingeniería. Tabla 5.5. Coste total de maquinaria. Tabla 5.6. Coste total mano de obra. Tabla 5.6. Coste del material. Tabla 5.7. Diseño, justificación de cálculos y modelado en 3D. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila 71 9 BIBLIOGRAFÍA - Tool and Manufacturing Engineers Handbook. Third edition. Daniel B. Dallas. Mc Graw Hill. - Fundamentals of Machining and Machine Tools. Second edition. Boothroyd G., Knight W.A. Marcel Dekker, 1989. - Diseño en Ingeniería Mecánica. Sexta edición. Joseph E. Sighley, Charles R. Mischke. Ed. Mc. Graw Hill. - Ejecución de Procesos Mecanizado, Conformado y Montaje. Segunda edición. Albert Ginjaume, Felip Torre. Ed. Thomson Paraninfo, 2006. - Selección de materiales en el diseño de máquinas. Carles Riba Romeva. Edición UPC, Politext, 2008. - http://ww.vb-tools.com/ - http://www.vanel.com/ - http://www.broncesval.com/ - http://www.acerosbohler.com/index.php/ - http://www.amf.de/en/home/ - http://www.google.com/patents/ - http://www.interseal.com/ - http://www.carrlane.com/ - http://www.tormach.com/ - http://www.schunk.com/ - http://www.stark.com/ - http://www.jergens.com/ - http://www.epidor.com/ Proyecto de Fin de Carrera Ingeniería Industrial Nullpoint system parts family design – Diseño de un sistema de utillaje de punto cero VOLUMEN II PLANOS UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PFC: Diseño de un sistema de utillaje de punto cero David Antón Romero de Ávila I ÍNDICE PLANOS Planos de conjunto Vista explosionada – Exploted view PW-01-001 Conjunto general – General assembly PW-01-002 Despiece Tapa superior – Top cover PW-02-001 Tapa inferior – Under cover PW-02-002 Pistón móvil interior – Springs housing PW-02-003 Boquilla extraíble – Nipple PW-02-004 Alojamiento de bolas inferior – Under balls housing PW-02-005 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED ALL DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS. TOLERANCES: ISO 6 DIN 7151 LINEAL: MM ANGULAR: DEGREES UNIVERSITY OF MISKOLC SIGNATURE DATE PROJECTION: PROJECT: DRAWN BY: 13/12/10 FIRST ANGLE NULLPOINT SYSTEM PARTS FAMILY DESIGN DAVID ANTÓN CHECKED BY: 13/12/10 MODEL NAME: GYÖRGY HEGEDUS EXPLOTED VIEW APPROVED BY: 13/12/10 SCALE DRAWING: A3 GYÖRGY HEGEDUS 1:2 SHEET Nr: PW-01-001 ELEMENT Nr. DESCRIPTION MATERIAL QUANTITY SHEET Rf. 16 Nipple AISI 440 B 1 PW-02-004 15 Screw M6x25 Zinc plated carboon steel - Quality 6.8 8 DIN 912 14 Screw M8x45 Zinc plated carboon steel - Quality 6.8 1 DIN 912 13 O-Ring seal 2mm 70 NBR - Rubber 1 DIN 3771 12 Upper cover AISI 440 B 1 PW-02-001 11 Spring ASTM A232; SAE 6150 12 - 10 Support ring PTFE - Teflon 1 DIN 3771 9 O-Ring seal 2.4mm 70 NBR - Rubber 1 DIN 3771 8 Springs housing AISI 440 B 1 PW-02-003 7 O-Ring seal 4mm 70 NBR - Rubber 1 DIN 3771 6 Support ring PTFE - Teflon 2 DIN 3771 5 Ball Carbon steel AISI 1045 7 AISI 52100 4 Under balls housing AISI 440 B 1 PW-02-005 3 O-Ring seal 2mm 70 NBR - Rubber 1 DIN 3771 2 Under cover AISI 440 B 1 PW-02-002 1 Pneumatic fitting 1/8" Galvanized tempered steel 1 SO11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 1 11 P P 115 8 36 48 8x45 22.5° 107 26.5 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED ALL DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS. TOLERANCES: ISO 6 DIN 7151 LINEAL: MM ANGULAR: DEGREES UNIVERSITY OF MISKOLC SIGNATURE DATE PROJECTION: PROJECT: DRAWN BY: 13/12/10 FIRST ANGLE NULLPOINT SYSTEM PARTS FAMILY DESIGN DAVID ANTÓN CHECKED BY: 13/12/10 MODEL NAME: GYÖRGY HEGEDUS GENERAL ASSEMBLY APPROVED BY: 13/12/10 SCALE DRAWING: A3 GYÖRGY HEGEDUS 1:1 PW-01-002 SECTION P-P A A B B 90 53.3 107 20H6 25 77 62 66 8x 11.2 8x 6 7 12 16.22 14.33 3.51 1 R1 0.33 9 R3.53 12x 12 4 R1 R0.5 7.76 20.85 3 9 R1 1 20.85 7.76 3.51 0.33 14.33 4 12x 12H10 R3.53 R0.5 R1 15 3 12 7 R0.5 18H6 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED ALL DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS. TOLERANCES: ISO 6 DIN 7151 LINEAL: MM ANGULAR: DEGREES UNIVERSITY OF MISKOLC SIGNATURE DATE PROJECTION: PROJECT: DRAWN BY: 13/12/10 FIRST ANGLE NULLPOINT SYSTEM PARTS FAMILY DESIGN DAVID ANTÓN CHECKED BY: 13/12/10 MODEL NAME: GYÖRGY HEGEDUS TOP COVER APPROVED BY: 13/12/10 SCALE DRAWING: A3 GYÖRGY HEGEDUS 1:1 SHEET Nr: PW-02-001 AA-AA SECTION A-A SECTION B-B 1.6 1.6 0.8 C C D D 115 107 77H6 53 26H6 4 8x22.5 R45 8x(M6x1) R1R1 R1R1 88 3636 66 1313 88 22 67.6167.61 1.51.5 7.57.5 2.52.5 53.2°53.2° 12 15 31° UNLESS OTHERWISE SPECIFIED ALL DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS. TOLERANCES: ISO 6 DIN 7151 LINEAL: MM ANGULAR: DEGREES UNIVERSITY OF MISKOLC SIGNATURE DATE PROJECTION: PROJECT: DRAWN BY: 13/12/10 FIRST ANGLE NULLPOINT SYSTEM PARTS FAMILY DESIGN DAVID ANTÓN CHECKED BY: 13/12/10 MODEL NAME: GYÖRGY HEGEDUS UNDER COVER APPROVED BY: 13/12/10 SCALE DRAWING: A3 GYÖRGY HEGEDUS 1:1 SHEET Nr: PW-02-002 SECTION C-C SECTION D-D 0.8 UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 2 5.2. CLAMPING CYLINDER FOR PULLING IN A PULL-IN NIPPLE, A RESPECTIVE PULL-IN NIPPLE AND A CLAMP SYSTEM, FOR USE WITH FLYING CHIPS .................................................................. 21 5.3. QUICKCONNECT COUPLING WITH CHANGE CYLINDER ........ 22 5.4. QUICK ACTION CLAMPING CYLINDER FLUID OUTLET ......... 24 6. MARKET RESEARCH ................................................................................ 27 6.1. STARK .................................................................................................... 27 6.2. JERGENS ............................................................................................... 29 6.3. VISCHER AND BOLLI ......................................................................... 31 6.4. DEVICES COMPARISON .................................................................... 32 7. TOOL DESIGN ............................................................................................. 34 7.1. COMPONENTS DEVICE DESCRIPTION .......................................... 34 7.2. STANDARS DESIGN ............................................................................. 40 8. REFERENCES .............................................................................................. 42 UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 3 1. INTRODUCTION The object of this project is to study the equipment items in gripping technology of Flexible Manufacturing System (FMS), particularly with regard to the state of the art zero-based device components for a Computer Numerical Control (CNC) machine. Manufacturing system involves a lot of items, the principal purpose of the project will be to perform a patent research and explore the most commonly used solutions for the work holders and clamping systems. Firstly there is an introduction of the basic information for a manufacturing system, as manufacturing processes, CNC and FMS definitions and the functional components used for the machining process. Next step is work out a null point system device-family concept which can be used in high-precision manufacturing. Perform detailed versions exploration of combination and selection, determining product series… during the conceptual design process. One time described null point system device-family, work out the component manufacturing documentation (assembly drawings, component drawings, necessary work specifications and bills) for a selected device and define the possible directions of further development. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 4 2. PURPOSE OF THE PROJECT The present project is redacted on demand of Miskolc University together with Universidad de Zaragoza., like Final Bachelor Thesis of Industrial Engineering. The principal purpose of the project is the simulation of a problem in the professional life about of design a Zero Point clamping system. 2.1. Detailed summary of the designed device - The designed device is about a Zero Point clamping system. - The Clamping System can be mounted directly on the machine table in single or in group connected by T line. - The general purpose of the clamping system is to form part of the equipment of the Flexible Manufacturing System. - The device ensemble is formed for different elements as well as the top and under covers, springs, springs housing, balls, screws, o-ring seals, support rings and nipple which are actuated pneumatically. The Zero Point clamping system can be adapted for a Flexible Manufacturing System which involves different machining processes like milling, drilling and turning for producing any type of piece. 2.2. Scope of the project The scope of the project is based on the related part of the mechanical engineering, specified in machine and tools, like the researching of devices patents, articles and journals, the usage of catalogues and regulations which contribute to a successful progress of the project, also the design of machines calculations as well as the usage of drawing tools and informatics programs, like CAD and Creo 2.0 to perform the drawings and assemblies. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 5 3. BASIC INFORMATION 3.1. Machining Machining is any of various processes in which a piece of raw material is cut into a desired final shape and size by a controlled material-removal process. The many processes that have this common theme, controlled material removal, are today collectively known as subtractive manufacturing, in distinction from processes of controlled material addition, which are known as additive manufacturing. We can divide machining into the following categories:  Cutting, generally involving single-point or multipoint cutting tools, each with a clearly defined geometry.  Abrasive processes, such as grinding.  Nontraditional machining processes, utilizing electrical, chemical and optimal sources of energy. 3.2. Introduction of Mechanical of machining There is conflicting evidence about the nature of the deformation zone in metal cutting. This has led to two basis schools of thought in the approach to analysis. One have favored the thin-plane (or thin-zone) model, as shown in following Fig 1(a). Others have based analyses on a thick deformation region as in following Fig 1(b). Figure 3.1. The two basic models for metal cutting analysis. (Marcel Dekker, 1989) The precise meaning of the term “machining” has evolved over the past two centuries as technology has advanced. During the Machine Age, it referred to (what we today might call) the “traditional” machining processes, such as turning, milling, drilling and grinding. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 6  Turning: Is the machining operation that produces cylindrical parts. In its basic form, it can be defined as the machining of an external surface: - With the workpiece rotating. - With a single-point cutting tool. - With the cutting tool feeding parallel to the axis of the workpiece and at a distance that will remove the outer surface of the work.  Milling: Is the process of cutting away material by feeding a workpiece past a rotating multiple tooth cutter. The cutting action of the many teeth around the milling cutter provides a fast method of machining. The machined surface may be flat, angular, or curved. The surface may also be milled to any combination of shapes. The machine for holding the workpiece, rotating the cutter, and feeding it is known as the milling machine.  Drilling: Drill can be defined as a rotary end cutting tool having one or more cutting lips, and having one or more helical or straight flutes for the passage of chips and the admission of a cutting fluid.  Grinding: Is an abrasive machining process that uses a grinding wheel as the cutting tool. In these "traditional" or "conventional" machining processes, machine tools, such as lathes, milling machines, drill presses, or others, are used with a sharp cutting tool to remove material to achieve a desired geometry. Machining is a part of the manufacture of many metal products, but it can also be used on materials such as wood, plastic, ceramic, and composites. A person who specializes in machining is called a machinist. Much of modern day machining is carried out UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 7 by computer numerical control (CNC), in which computers are used to control the movement and operation of the mills, lathes, and other cutting machines. 3.3. Flexible Manufacturing System In any manufacturing process we want to produce in the minimum possible time with minimum costs for the maximum economic gain. There is a concept of manufacturing, the Flexible Manufacturing System (FMS), which let automatically and flexible manufacturing of different pieces from the same family of volumes, dimensions and figures. The generally characteristics of flexible manufacturing are:  Flexibility: In respect of form, dimensions, materials and prevision product.  Automation: In machining, piece changing, tool changing, transport, identification, cleaning and pieces verifying.  Productivity: Because the increase of manufacturing, quick change tool, quick change piece, few mechanical breakdowns and machining optimization.  Product quality: Insured cause the pieces inspection, machines precision, thermal stability, machines rigidity…  Product reliability: Thanks to wear control, deviance control, machining conditions control, preventive maintenance… Flexible manufacturing systems are generally composed by machine-tools with change piece devices and centrally control system. Machine-tools are running by numerical control system. 3.4. Numerical control Numerical control is defined as control of machine motions by the input of numerical information through externally stored media, or directly from a computer. Normally, such data are stored on punched tapes, punched cards, or in electronic memory devices, punched tapes being, at present, the most often used storage medium. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 8 The conventional classifications of turning machines cannot be validly applied to N/C turning equipment, in which a single machine may cut across such classic categories as engine lathes, turret lathes and single-spindle automatics. General basic elements in N/C machine: - N/C program: It contains all the codified instructions for the machining process. - Numerical Control: Performs all the instructions, convert it to adequate signals and send the correspondent actuations to the machine, it does the necessary calculate and check the obtained results onward the correspondent sensor signals, position recruiters and machine velocity. - Machine: Execute the expected operations through axis actuations and auxiliary elements, like lubricant elements, refrigerate…  Advantages: - Increased productivity (more adjusted swept and velocity). - Increased machine efficiency (it is not influenced by operator stress and fatigue). - More accuracy, repeatability, uniformity and better finish machining. - Short engine timing. - Eliminate dead time (piece approximation). - Reduction of defective pieces (operator mistakes prevention). - Decreases checking and control time. - Less number of operators and with lower qualification level. - The possibility to machining pieces with difficult figures and sometimes impossible or with a high level of difficulty to machining with conventional machines.  Disadvantages: - Higher investment (machines and auxiliary components). - Requirement possibility of pre-setting bench tools. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 9 - More elaborated servicing work. - It needs a programming phase (qualified operators). - Technical maintenance operators. - Higher responsibility of the operators because are working with specially and more expensive machines. Before starting machining it is important to consider three important items like: 1. Point of origin or zero machine. 2. Three axis “X, Y, Z”. 3. Origin piece.  Application of N/C Turning Equipment - Accuracy: While no generally accepted accuracy standard for N/C turning equipment presently exists, N/C turning machines are, on average, held to closer accuracy standards than their conventional counterparts. N/C turning equipment is built either to some accuracy specification prescribed by the user or the standard product specification of the machine-tool builder. - Repeatability: Because the numerical generated commands repeat exactly from part to part, machine repeatability of N/C turning equipment is especially important, giving the user the ability to produce highly consistent runs of parts. Having defined the principal actions and automated machines it is too important to introduce different systems of workholding for obtaining the principal characteristics required in a Flexible Manufacturing System during the machining operations like flexibility, automation, productivity, product quality and product reliability. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 10 3.5. Tooling concept Device used for locate and clamp a piece or set of pieces firmly in relation to reference system machine, in order to execute the planned manufacturing operations. Tooling functions respect to: 1. The piece (“fixture”): - Locate accurately and repeatability the piece references surfaces respect to the origin and the platform axis. Then, it can ensure the form and locate tolerances. - Fix and immobilize without deform. Support mechanical and thermal stress of the machining process avoiding piece and tooling deformations. 2. Tool: - Guide and adjust the tool trajectory. - Facilitate shaving removal, the access and leaving tool. 3. Manufacturing system (Machine-Tool, Operator…): - Locate respect the origin and axis machine, the origin N/C program. - Fix to the trolleys machine. Then it can transmit the programmed movements. - Facilitate the manipulation and pieces change. It can reduce nonproductive times. - Facilitate the maintenance, safety… 3.6. Functional components 1. Frame. The principal function is to preserve the correctly special relation with all the components (positioners, moors and brackets), at the same time for the tooling manipulation (loading and unloading of the Machine-Tool and transport by the Flexible Manufacturing System). It has to be a straightedge. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 11 Figure 3.2. Frame. (Carrlane, 2012) 2. Positioning elements. Locators. Function: restrict the piece movement and mark it position respect to structure or platform axis. With piece and references surfaces contact (plans, holes and exterior contours) with normal direction. Locators delete one translation or rotation degree of freedom. There are three general forms of location: plane, concentric, and radial. Plane locators locate a workpiece form any surface. The surface may be flat, curved, or have an irregular contour. Figure 3.3. Plane location. (Carrlane, 2012) Concentric locators, or the most part, locate a workpiece form a central axis. This axis may or may not be in the center of the workpiece. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 18 Example without Zero Point clamping system:  Machine costs:  Number of tooling procedures per shift: 4  Set-up time per procedure: 30 min.  Set-up time per shift:  Set-up costs per shift:  Set-up costs per shift each year: Example with Zero Point clamping system:  Machine costs:  Number of tooling procedures per shift: 4  Set-up time per procedure: 2 min.  Set-up time per shift:  Set-up costs per shift:  Set-up costs per shift each year: Annual savings per shift: 60000 - 3900 = 56100 € UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 19 5. PATENTS RESEARCHING Before consider the different actually quick-change systems in the industry market it is important to know about the theory design. In this chapter I am going to analyze the operation mechanisms, structure, and important characteristics of these workholding systems. The analysis will be done with patents researching, using the search tool Google Patents. Down below it is made a patents researching of some mechanisms. 5.1. Clamping apparatus with a clamping chuck and a work piece carrier releasable connectable thereto Inventor: Karl Fries Patent Number: 6799758 B2 Date: 5 Oct. 2004 The clamping apparatus comprises a clamping chuck 1 and a work piece carrier 40 releasable connected thereto. The clamping chuck 1 is provided with a central opening 2 for receiving a clamping pin 30 attached to the work piece carrier 40. The central opening of the clamping chuck has a conical inserting portion 3, and the clamping pin has at least one surface portion corresponding in shape to the conical inserting portion 32, or several surface portions for aligning the clamping pin in Xand/or Y-direction. The clamping chuck 1 comprises a clamping mechanism 20 for clamping the clamping pin 40. The top of the clamping chuck is provided with at least one surface portion serving as a Z-stop member 5,6. The clamping pin 30 is dimensioned such that, prior to activating the clamping mechanism 20, a gap exists between the flat bottom surface of the work piece carrier 40 and the surface portion of the clamping chuck 1 serving as a Z-direction stop member. The clamping pin 30 and/or the region around the central opening of the clamping chuck 1 is/are adapted to be elastically deformed upon activation of the clamping mechanism 20 to further pull in the clamping pin 30 into the central opening 2 and simultaneously the work piece carrier 40 towards the surface portion serving as a Zdirection stop member until the flat bottom surface of the work piece carrier 40 rests on the surface portion of the clamping chuck serving as a Z-direction stop member. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 20 Showing a longitudinal sectional view of the clamping chuck 1 together with the work piece carrier 40 clamped thereto, particularly also the coil springs 23, 25, these springs being provided for biasing the piston 10 and responsible for the pulling force exerted on the clamping pin 30. For clarifying the design of the clamping chuck 1, the left side of the drawing shows a sectional view taken through the coil springs of the clamping chuck 1, while the right side shows a sectional view taken between adjacent coil springs of the clamping chuck 1. Figure 5.1. Sectional view of the clamping chuck and of the work piece carrier. (Google patents, 2004) Figure 5.2. Sectional view of the clamping chuck with the work piece carrier clamped thereto. (Google patents, 2004) UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 21  Advantages: - Closing cone nipple. - Good alignment clamping pin in X or Y direction.  Disadvantages: - Non-automatic removal chips. - With large and heavy work piece carriers. 5.2. Clamping cylinder for pulling in a pull-in nipple, a respective pull-in nipple and a clamp system, for use with flying chips Inventor: Emil Stark Patent number: 5961261 Date: 5 Oct. 1999 The present invention relates to a clamping cylinder 1 for pulling-in and clamping a pull-in nipple 21 as well as to the nipple itself and to a clamping system comprising a clamping cylinder and a pull-in nipple 21. The clamping cylinder 1 is provided with a central bore 2 extending through the clamping cylinder 1 and adapted to receive the nipple 21, pull it in and lock it. The cylinder 1 comprises a cup-shaped housing including lateral annular flanges being provided with inlets 3, 4 for air and oil. Via the lower inlet 4 oil may be introduced in a pressure chamber 7 arranged between an upper surface of the clamping cylinder 1 and a lower surface of an outer piston 5. Movement of the piston 5 in an upward direction is achieved by introducing oil in the pressure chamber, while movement in a downward direction is effected by one or several springs 9 inserted in associated bores 8 in the outer piston 5. The pressure chamber 7 extends under said piston 6 and is connected to a second pressure chamber 19 being formed between the outer piston 6 and a locking piston 18. Said locking piston 18 is coupled to the outer piston 5 by means of an inclined surface 16. The upper inlet 5 allows entry of air or another cleaning fluid in a chamber 39. This fluid is directed to nozzles by means of associated bores. A nozzle 11 parts from chamber 39 and leads to an annular groove, referred to as distribution channel 12. This channel 12 is connected to other channels 13, each being provided with nozzles 14, 15. The nozzles 14, 15 end in the dirt-free space 40. Any dirt accumulating in this space 40 is removed by the cleaning fluid exiting from the nozzles 14, 15. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 22 Figure 5.3. Sectional view of the clamping system. (Google patents, 1999)  Advantages: - Good reproduceable position, nipple with additional abutment surfaces. - Cylinder is equipped with a cleaning system. - Locking pistons area actuated by hydraulic fluid. - Good alignment clamping pin in X or Y direction  Disadvantages: - Possible fluid leakage. - Contact points between the nipple and the cylinder had to be as clean as possible. 5.3. Quick connect coupling with changeable cylinder Inventor: Günther Stark Patent number: 1743733 B1 Date: 19 Dec. 2007 The quick release device comprises a retractable nipple 2, which may be connected with a screw 40 with a pallet 39, or directly to a workpiece. The quick release device 1 forms a casing 18 which is also formed as a closure housing or the open and upward recess can be embedded in a machine table. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 23 This clamping case in the inside of the housing 18 slidably disposed piston 6 has been pressed into its upper sliding position by the force of a spring assembly 12, where in the same time the locking element 5 is pressed radially inwardly against the outer circumference of the intake nipple 2. They find an abutment on the upper side of the cover in the region of a stop surface arranged therein 9 the same time they are pressed by a radially inwardly inclined bevel 8 against the outside of the draw-in nipple 2 and in this case based on a run on the outer periphery of the slope formed 7 so that there is an absolutely secure lock. Instead of the slope 7, also a suitable radius can be used. The piston 6 still has a fast stroke bevel 10, which serves to open the locking device, the locking member 5 as quickly as possible to bring out of engagement with the feed nipple 2. The locking force is applied, however, the slope 8 on the piston 6. The pressurized oil is introduced in the other through the pressure supply 13 and an associated channel 14 into the oil chamber 29 and into the radial gap 16. Figure 5.5. shows the embodiment in the relaxed state. There is seen that the pressure supply 13, the pressurized oil is introduced into the oil chamber 29 and thus the piston 6 was against the force of the spring assembly 12 is displaced downwardly. Simultaneously moves thus also in the lower cylinder chamber 11 is mounted a protective oil via the communication passage 42 through the piston 6 through upward into the upper cylinder chamber 11b. Figure 5.4. Section embodiment of a quick connect coupling. (Google patents, 2004) UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 24 Figure 5.5. Section embodiment of a quick-action device. (Google patents, 2004)  Advantages: - Closing cone nipple. - Good alignment clamping pin in X or Y direction.  Disadvantages: - Non-automatic removal chips. - Susceptibility of the running surfaces of the piston against corrosion. - Spring chamber with air only, the ingress of moisture can take place there corrosion. 5.4. Quick action clamping cylinder with fluid outlet Inventor: Emil Stark Patent number: 6073325 Date: 12 Jun. 2000 A quick-action clamping cylinder 1, which has an essentially plate-shaped bottom part 2, is provided. A hydraulic piston 9 is displaceable accommodated in the bottom part 2. The quick-action clamping cylinder 1 is covered on the top with a cover 7, which is attached to the bottom part 2 by a plurality of screws 13. There is one or a plurality of tension springs in the space 12 between the hydraulic cylinder 9 and the cover 7. When the insertion pin 3 is introduced into the central bore 11, it is pulled downward and locked there due to the action of the tension springs 4. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 25 The locking is achieved by means of balls 17, which are mounted in a ball cage 16. The ball cage 16 is braced against the hydraulic piston 9 by means of a ring 15. The balls 17 are then accommodated in an annular space 24 of the ball cage 16. In the clamped position Figure 5.6., the balls 17 are in contact with the annular groove 22 disposed in the outer periphery of the insertion pin 3. At the same time, the balls 17 lie with a part of their outer periphery against a slope in the region of the annular groove 23 of the hydraulic piston 9. For the release or unlocking, a pressure chamber 20, which is located between the hydraulic piston 9 and the bottom part 2 of the quick-action clamping cylinder, is acted on by an oil supply device 19 and a supply line 18. This pushes the hydraulic piston 9 upward. This movement applies force to the ring 15, which pushes the ball cage 16 upward. With continuing upward displacement of the hydraulic piston 9, the balls 17 reach the region of the radially outward annular groove 23 of the hydraulic piston 9, whereby they simultaneously lose contact with the radially inward annular groove 22 of the insertion pin 3. This unlocks the insertion pin 3 attached to a perforated pallet. Figure 5.6. Sectional view showing the insertion pin being restrained. (Google patents, 2000) UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 26 Figure 5.7. Sectional view showing the insertion pin in a released position. (Google patents, 2000)  Advantages: - Locking pistons area actuated by hydraulic fluid. - Simple structure.  Disadvantages: - Possible fluid leakage. - Non-automatic removal chips. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 27 6. MARKET RESEARCH For learning more about these quick-change tooling, in this section will be done a market research about different companies like “Stark” and “Schunk”, principal producers of these tooling, then a description and comparison of how these devices work. 6.1 Stark General Stark devices:  Speedy classic 1  Speedy classic 2  Speedy classic 3 These devices are characteristic for positioning and clamping in one function. Zero Point clamping system have two working positions: clamping and releasing.  Clamping: is activated mechanically. - The hydraulics are de-pressurized, the oil pressure drops to 0 bar. - The spring pre-load is applied via the piston 2, the piston moves downwards. The fit is aligned, the retractable nipple 9 highly precisely positioned. - The balls 8 positively positioned between piston and retractable nipple in the related contour. - The pre-load on the springs 7 now acts downwards directly and constantly on the retractable nipple.  Releasing: is activated hydraulically. - Hydraulic pressure 1 is applied to the piston 2 and the piston moves upwards. The spring pack 3 is compressed. - The balls 4 in the ball cage 5 move outwards to the parking position. - The retractable nipple 6 moves into the fast closing clamp until it is in contact with the base of the piston. - The retractable nipple 6 is pre-positioned. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 34 7. TOOL DESIGN From the patents and market research next step is start to design the workholding device. There are two important design groups of devices, the flush mount and surface mount. The designed device is included in the surface mount group. The device is working by pneumatic drive. With the design the objective is to reproduce a mechanism with easy maintenance, good staunchness and clamping force with a simple structure. 7.1 Components device description The device is composed for two main covers, the top and under cover, the under balls housing, balls, springs housing, pneumatic fitting, nipple, screws, o-ring seals and support rings. Figure 7.1. Assembly workholding device. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 35 Figure 7.2. Section of designed device.  Under cover Is one of the external components of the device, the cover is made with stainless steel AISI 440 B, a high carbon martensitic stainless with moderate corrosion resistance good strength and the ability to obtain and keep excellent hardness (Rc 58) and wear resistance. Figure 7.3. Under cover The under cover has a cylindrical form with a tick wall to maintain the air pressure inside there and be rugged component cause has to support the workpieces weight and machining forces. Also the wall has to be tick cause has to allow the pneumatic fitting 1/8” and the air duct of 4 mm diameter. In the center has a circular hole to allow the under balls housing adjusted by pressure. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 36 Figure 7.4. Under cover section.  Top cover Top cover is made with stainless steel AISI 440 B. Around the external diameter has eight holes all over to allow the locking screws between the two covers. In the external surface around the medium diameter has a slash to allow a o-ring seal to establish contact between the workpiece and the workholding device, also the o-ring will protect about the internal space of the direct contact with the coolant liquid during machining. In the center has a circular hole to allow the nipple entrance, also the circular hole has a conical slash to guide the entrance of the nipple to the device and when the nipple is inside the device with the conical slash we get more settling of the workpiece and prevent of disturbances. Figure 7.5. Top cover section In the internal surface, about the medium diameter it has twelve cylindrical slashes to allow the internal springs of 12 mm of diameter, the finality of the springs are to clamp the nipple and transmit the retention force. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 37 The top cover has an internal surface which is in contact with the locking balls, this slide surface has a circular slash to stopper the radial free movement of the balls. Figure 7.6. Top cover bottom view.  Springs housing The springs housing is an internal component of the device, it has twelve cylindrical slashes like top cover to allow the internal springs too, they have to be mounted alienated. The springs housing are free of linear movement between the internal surface of the under cover and the external surface of the under balls housing. The springs housing has two slashes, one in the internal surface and other in the external, the purpose of the slashes is allow the o-ring seals and the support rings to establish the contact with the surfaces and at the same time with the rubber o-ring seals it is possible to obtain air staunchness when the air compress the springs to release the nipple. Figure 7.7. Springs housing. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 38 Also the springs housing has another conical internal surface to allow the balls when the nipple has to be released, the conical form is to facilitate the mudslide of the balls and make a progressive movement during the clamping and releasing of the nipple. Figure 7.8. Springs housing section view. Figure 7.9. Detailed view of releasing balls position.  Under balls housing The under balls housing has to principle purposes, one is to allow the balls on the top surface, it has the same slash like the top cover, to lock the radial free movement of the balls. The other is to guide the linear movement of the springs housing during the compression and extension of the springs. The under balls housing has a smaller step to be locked inside the under cover by pressure, also it has a slash to allow the o-ring seal to obtain air staunchness, in this case it is not necessary to allow a support ring cause this is not a mobile part. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 39 Figure 7.10. Under balls housing section.  Nipple The retractable nipple has a cylindrical form with different slashes. The extreme has a conical form to facilitate the guide entering to the device, the next slash is with the circumferential balls form with the purpose to block the nipple in the device when the balls adjusted inside there. Figure 7.11. Detailed view of clamped nipple. The other extreme has a conical slash to adjust with the top cover. Also the nipple has a cylindrical hole to allow the fixing screw between the workpiece and the workholding device. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 40 Figure 7.12. Nipple section. 7.2 Standards design  Surface roughness For the surface roughness the standards design are: Ra = 0.8 for all the movement surfaces. Ra = 0.8 – 1.6 for the statics surfaces. Principal movement surfaces: - Between external nipple surface and the internal hole of the top cover. - Between the balls and the slide surfaces of top and central under cover. - Between the springs housing and the internal hole of the under cover, and the external surface of the central under cover. In general, all the other surfaces are statics.  Tolerances The most important tolerances of the piece manufacturing are indicated in the planes, tolerances between: - The nipple (g5) and the top cover (H6). UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 41 - The springs housing (g5) and the under cover (H6). - Central cover (j6) and under balls housing (H6). - Socket springs (H10) and springs. - Top cover (H6) and central cover (H6) with the balls. UNIVERSITY OF MISKOLC Project work: Null-point system parts family design David Antón Romero de Ávila 42 8. REFERENCES  Tool and Manufacturing Engineers Handbook. Third edition. Daniel B. Dallas. Mc Graw Hill.  Fundamentals of Machining and Machine Tools. Second edition. Boothroyd G., Knight W.A. Marcel Dekker, 1989.  http://ww.vb-tools.com/  http://www.vanel.com/  http://www.amf.de/en/home/  http://www.google.com/patents/  http://www.interseal.com/  http://www.carrlane.com/  http://www.tormach.com/  http://www.schunk.com/  http://www.stark.com/  http://www.jergens.com/  http://www.epidor.com/