Análisis del Diseño y Manufactura, de una Bisagra con Cambios de

Revista de Iniciación Científica – RIC – Journal of Undergraduate Research
Análisis del Diseño y Manufactura, de una Bisagra con
Cambios de Sección con Dobleces y Apoyos
J.Guillen1, W.King2
J.Palacios3, D.Villamonte
Licenciatura en Ingeniería Mecánica – Ingeniería en Manufactura – Universidad Tecnológica de Panamá
Resumen: Se realizó un análisis del diseño de una Bisagra, en la que su aspecto más relevante son los dobleces que se
realizan para aumentar su resistencia a la tensión. Los soportes o apoyos de la bisagra permiten una mejor distribución de
los esfuerzos producidos por las cargas. Se muestran los procesos de manufactura adecuados para el diseño de la bisagra
propuesto. Se realizaron simulaciones en Inventor Professional 2015 donde se evaluaron las distintas propiedades mecánicas,
determinado las cargas aceptables de uso. El material empleado en el análisis es un acero AISI 1020 que cumple con las
características principales para la fabricación innovadora y vanguardista de la bisagra.
Palabras Claves Mecanizado, dobleces, aliviadores, Factor de seguridad
Abstract: A Design analysis was made to a hinge, where it’s most relevant aspects are the folds that are implemented to
increase its tension resistance. The supports on the hinge enable a better stress distribution produces by the loads. The
adequate Manufacture Processes for the design are also listed Preliminary tests were performed using Inventor Professional
2015 simulator in which different mechanical properties thereof were evaluated, given the acceptable use loads, using an
AISI 1020 steel which meets the main features for innovative and cutting-edge manufacturing hinge
Keywords: Machining processes, Folds, reliever, Safety factor.
sujeción normal de una bisagra.
1. Introducción
Este paper se organiza en dos secciones principales, la
Las bisagras utilizadas convencionalmente nos brindan una
sección de diseño enfocada a modelar mediante el simulador,
facilidad al momento de pivotar alguna pieza. Generalmente
las cargas sometidas en la bisagra y la sección de fabricación
esto siempre se ha hecho de manera que el giro sea
que describe brevemente cada uno de los procesos de
horizontal, por su facilidad de ensamblaje. El problema al
manufactura necesarios para crear la bisagra.
hacerlo de esta forma es que se desaprovecha un espacio, en
algunos casos considerable, que podría ser utilizado. Este
paper propone modificar la geometría de una bisagra plana
por medio de la implementación de cambios de sección con
2. Selección Del Material (AISI Acero
1020)
con las condiciones de seguridad adecuadas para su uso. Esta
A la hora de la selección del material se consideró que el
material que mejor cumplía con los propiedades
mecánicas y químicas necesarias es el Acero 1020 ya que
este es de gran fortaleza y menos fácil de conformar.
Responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico
de cementación. La soldabilidad del acero 1020 es adecuada
configuración para una bisagra es innovadora y diferente,
por su alta tenacidad y por su baja resistencia mecánica que
por la forma de sus dobleces, refuerzos y la capacidad que
lo hace adecuado para ser utilizado en elementos de
dobleces y apoyos, que cumpla con la normativa existente
para mejorar sus
propiedades mecánicas de tensión y
resistencia. Para obtener una bisagra más robusta, es
necesario establecer un factor de diseño óptimo, que cumpla
tiene para manejar grandes cargas, sin cambiar la manera de
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maquinaria [1]
2

Por su Alta tenacidad y Baja resistencia mecánica es
utilizado para realizar los distintos dobleces que nuestra
pieza requiere para dar un mejor resultado a la hora del
modelado.
La estrategia adecuada de diseño, la cual este ligada a
los procesos de manufactura, está hecha para evitar una
alta perdida de material, la cual repercute a elevar los
costos de producción.
3.1 Diseño Estructural
Para esquematizar esta bisagra
se
utilizará
el
simulador
Autodesk Inventor Professional
2015.
Figure # 1 Propiedades Químicas y mecánicas del Acero 1020 [2]
Figura (2). Base de la bisagra
concepto de los dobleces.
3. Diseño
En la figura (2) se distingue claramente los tres *dobleces a
El principal interés o afinidad de realizar el proyecto, es en
90°, los cuales forman una especie de “S”, de esta forma
principio diseñar una bisagra, la cual contase con una
aumenta la resistencia a la tensión de la bisagra.
resistencia óptima, segura y estable, al estar sometida a
cargas de una gran magnitud, tomando en consideración
también el desgaste a la cual puede estar sometida la misma,
teniendo en cuenta su factor de seguridad. Ya que al estar
relacionada con el empleo del ser humano, ya sea directa o
indirectamente, se considera al factor de seguridad una
prioridad en una bisagra de este tipo.
Figura (3) secciones de apoyos.
El concepto de la bisagra está basado primordialmente en los
En la figura (3) puede distinguirse los apoyos dados a la
dobleces de un material, específicamente una lámina de
sección interna de la bisagra. Estos representan en principio
metal AISI 1020, definiendo que al doblar cualquier lamina ,
unos aliviadores de cargas. Durante las fases de diseño, se
ya sea plegarla a 90° o a cualquier otro ángulo , aumenta su
realizaron diferentes tipos de configuración entre los apoyos,
resistencia y su rigidez.[3]
analizando mediante el simulador cuál de estas brindaba la
La proyección y propósito es diseñar los componentes de la
mayor resistencia. Se llegó a la conclusión que una sección
bisagra de la siguiente manera:
con ángulos rectos en la parte interna de la bisagra brindara

menos resistencia y no asimilara de manera óptima los
Que cumplan con los estándares mínimos mundiales ya
normalizados sobre el diseño de bisagras.

Agregar los dobleces como refuerzos al material.

Diseñar estructuras o soportes que permitan en zonas de
esfuerzos, en cambio, la de sección circular asimila mayor
cargas
a
comparación
de
las
rectas
y
considerablemente la presión. [4]
alta tensión o esfuerzos, y que en la bisagra, estos
componentes asimilen las cargas de forma segura y a su
vez brinden una mayor resistencia a la misma.
a)
b)
reduce
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3
Figura (4). Simulación realizada con una fuerza de 1293.6 N
Utilizando una soldadura “tig” con gas, y una varilla de acero
lo cual equivalen a 60lbf. A) Bisagra con sección planar
inoxidable para evitar la corrosión, la cual se explicará
curva, b) bisagra con sección planar ángulos rectos.
detalladamente en los procesos de manufactura., se realiza la
Analizando la figura (4), se puede notar una considerable
simulación sometiendo la bisagra a la misma carga de 60lbf
reducción de la presión en la zona planar, se observa que en
y se observa que la soldadura en su zona más crítica tiene un
la sección interna recta se produce un esfuerzo principal de
factor de seguridad de 3.5, lo que se produce un esfuerzo
332.4 MPa en cambio en la sección curva aprox. 53 MPa, lo
principal de 67.5 MPa, argumentando de esta manera que la
que implica una reducción del 83% de los esfuerzos
soldadura brinda la firmeza necesaria para absorber las
producidos por las cargas.
cargas mínimas a las que puede estar sometida la bisagra.
3.3 Análisis de carga final
3.2 Soldadura
Durante las fases de diseño, se contempló realizar los apoyos
de forma maquinada, pero al notar los pronunciados cambios
de sección de la bisagra, se pudo percatar de que la perdida
de material por devaste, realizada en una fresa o torno, haría
Fuerza
Deform
Fact.seg
1401.1
1509.2
1724.8
2048.2
.14
.15
.17
.5
2.93
2.58
2.0
1.5
Presion
Max
108MPa
110MPa
130Mpa
295Mpa
Lbf
65
70
80
95
una pérdida considerable de material
Se puede notar que para 95 lb, la deflexión y factor de
Figura (5)
seguridad son bajos, por ende podemos delimitar que la carga
máxima la cual puede soportar una bisagra es de 80 lb.
Manteniendo una deformación considerable.
4. Proceso De Manufactura
apreciación de las soldaduras
La junta de tipo soldada, es un factor clave en una pieza
mecánica, ya que si no se escoge una soldadura adecuada que
vaya de acorde con el material que se desea unir, puede
ocasionar a largo plazo una falla por esta sección del
componente [3].
La finalidad del diseño y geometría requerida en los diversos
parámetros propuestos en la sección anterior, muestra un
factor de seguridad más eficiente en la elaboración de esta
pieza mecánica.
Básicamente, la bisagra se compone de dos secciones a las
que se les une mediante un pasador, en donde una de las
secciones se aferra a un cuerpo rígido mientras que la otra
pivota y la bisagra se ve fija a estos cuerpos mediante pernos
y tornillos.
El desarrollo de esta pieza comprende la gran importancia
de los procesos de manufactura, Teniendo en consideración
el tipo de material que se busca, partimos de una pieza en
bruto que se sometió a los siguientes procesos de
mecanizado:
Punzonado
Se confeccionan los agujeros por cada golpe que realiza el
punzón. La Determinación de la fuerza que se ejerce sobre la
Figura (6) factor de seguridad y esfuerzo de la soldadura
chapa permite evaluar o seleccionar el tipo de prensa que se
ajuste a los parámetros de diseño.
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Cizallado
5. Resultados
Este Proceso realiza el corte de una lámina de Acero AISI1020 de 5.5 por 2 pies con un calibre 7 para obtener las
diversas piezas con las que se fabricara el diseño de la
bisagra.
Para nuestra simulación más afín a la vida real, se decide
ensayar las cargas utilizando una puerta de calibre 20, 5m
largo x 3m de alto, con relleno de polietileno. Todo esto
Troquelado
Para realizar la geometría de la parte inferior de la bisagra,
se confeccionaron 4 dobleces para así lograr un cambio de
sección que permite aumentar la rigidez del material.
Estos dobleces comprometen la resistencia del material en el
tramo horizontal del cambio de sección.
genera una carga de 2500 N. Se dividirá la carga entre tres,
con el concepto de que el mínimo de bisagras de una puerta
es tres. De esta manera la carga sobre una bisagra es de 833.
33 N lo cual equivalen a 40Lbf.
Figura (7) simulación con carga de 833.3 N
Refuerzos
Se suelda un refuerzo en la región critica de la pieza inferior,
ya previamente descrita en la sección anterior. Un refuerzo
tiene forma triangular y se coloca en el primer doblez.
a)
B)

Deformación en su zona más crítica de: 0.084 mm

Factor de seguridad mínimo de: 3 (soldaduras)

Esfuerzo máximo sometido: 64MPa en la zona curva y
84MPa en la zona del pasador.
Fig(8). Representación de los refuerzos en la bisagra. A.
5.1 Normativa 1935 (bisagras de un
refuerzo triangular, B. Refuerzo en forma de arco.
Soldadura
solo eje) según la DIN
Para unir los refuerzos a la bisagra se sueldan mediante
soldadura TIG con Gas, la que prolonga la durabilidad de la
La norma clasifica las bisagras en cuatro categorías de
unión metal- metal y proporciona una mayor longevidad
utilización y definir el momento de giro máximo, que resulta
ante la corrosión.[5]
de la resistencia de fricción generada durante la prueba de
durabilidad. La norma solo es válida para hojas de puertas
que no sobrepasan un peso de 160kg. [6]
Ensamblado de la Bisagra
La Bisagra se une por medio de 4 pernos en la parte inferior
y 5 pernos en la parte superior. Los pernos utilizados son
ANSI Trimmed Hex Head Machine (M6) (1)*(55).
Código de clasificación para la bisagra diseñada
3
7
2
1
1
2
1
14
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5
.
Conclusión
Este paper presento la idea de tomar un elemento mecánico
ya existente e idear una geometría en que su enfoque sea
asimilar de una mejor manera las cargas y mayor seguridad.
El cual fue el análisis de diseño y manufactura de una bisagra
con cambios de sección, dobleces y apoyos.
Los análisis de las secciones curvas, de los dobleces, del
cambio de geometría propuestos al momento de modelarla,
demuestra que se logra cumplir con los parámetros
establecidos como son los de carga, desplazamiento y factor
de seguridad. Entre las limitaciones de la investigación se
tiene la no realización de un ensayo con los componentes ya
manufacturados ya que de esta manera se podría evidenciar
con mayor precisión las cargas asimiladas.
Referencias
[1] J. Peláez y V. Burbano. Análisis de la soldabilidad de
aceros
inoxidables
con
aceros
de
medio
carbono.
Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira. 2008
[2] José Luddey Marulanda Arevalo, Victor Manuel
Burbano, Jaime Andrés Peláez“Analysis of stainless steel
weldability with medium and low carbon by SMAW
steel”Revista Facultad de Ingeniería, UPTCJulio - Diciembre
de 2013, Vol 22, No. 35.
[3] Omar Eraso Guerrero, PROCESOS DE
MANUFACTURA, Universidad Nacional Abierta y a
Distancia – UNAD, 2008.
[4] Emilio Cortés, Geometría de equilibrio de estructuras
en arco, Departamento de Física, Universidad Autónoma
Metropolitana, Iztapalapa, 2008.
[5] J.M. Gómez de Salazan, A. Ureña, E. Villauriz, S.
Manzanéelo, e I. Barrena, Soldadura TIG y MIG de las
aleaciones
de
aluminio
6061
y
7020.
Estudios
microestructurales y de propiedades mecánicas, Madrid
España, 1998.
[6] Ersnt Schulte, Heinz Schulte, Informacion sobre las
normas europeas, tecnica del sistema para puertas,
Alemania, 2005.