Diseño y Construcción de un Tornillo
de Banco Eficiente para Procesos
de Fabricación Mecánica
Revista TECH Carlos Cisneros ISNN 2737-6036, Año 2023, Congreso CICT2023, páginas 9
"Diseño y Construcción de un Tornillo de Banco Eficiente para
Procesos de Fabricación Mecánica"
"Design and Construction of an Efficient Bench Vise for
Mechanical Manufacturing Processes"
Javier Edmundo Jaramillo Ortega1
Edwin Gonzalo Ortega Ponce 2
1Instituto Superior Tecnológico “Carlos Cisneros”, Ecuador, javier.jaramillo@istcarloscisneros.edu.ec
2Independiente, Ecuador, edwinortegatec@gmail.com
3Instituto Superior Tecnológico “Carlos Cisneros”, Ecuador, monica.carrion@istcarloscisneros.edu.ec
RESUMEN
El presente trabajo consiste en diseñar y fabricar un tornillo de banco eficiente como medio de sujeción para
procesos de fabricación mecánica, evaluando su factibilidad técnica para la producción en un taller con
máquinas herramientas como torno, fresadora, taladradora y prensa; se realizó un estudio técnico de diseño
estructural empleando normas de fabricación ISO con materiales en estado de suministro que ofrece el
mercado local como plancha de acero laminada en caliente ASTM A36 de 4mm, UPN 80, fundición nodular
ASTM A536, acero AISI 1018, acero AISI 1045, ensamblado con soldadura SMAW y tornillería. Con el objetivo
general de diseñar una solución que reduzca los tiempos de producción al máximo y optimice la fabricación
mediante procesos de mecanizado con y sin arranque de viruta, que cumpla con las características técnicas
de calidad y garantía para el usuario final, podrá ser instalada de manera sencilla en los mismos talleres donde
fueron construidos; comprobando los resultados del diseño mediante el análisis con herramientas
computacionales. El proceso en general terminará por comprobar la funcionalidad del dispositivo al estar
sometido a un esfuerzo de cedencia y el medio de sujeción al límite de su capacidad; para poder ofrecer un
resultado que se traduzca en datos de resistencia mecánica comprobados que tendrán como función el otorgar
datos de operación. La investigación se realizó mediante un análisis de campo para evidenciar la capacidad
del útil de sujeción que se encuentra en el mercado nacional, y compararlo con el fabricado en esta propuesta.
Al término del proyecto, es funcionalmente operativo; respondiendo a pruebas de torque, fuerza, paralelismo
de las mordazas, desplazamiento rápido de la mordaza móvil y perpendicularidad de los elementos sujetos
Palabras clave: Tornillo de banco, Manufactura en máquinas herramientas, CAD, CAE, Tornillo de potencia
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Mónica Alexandra Carrión Cevallos3
Revista TECH Carlos Cisneros ISNN 2737-6036, Año 2023, Congreso CICT2023, páginas 9
ABSTRACT
The present paper consists of designing and manufacturing an efficient bench vise as a means of clamping for
mechanical manufacturing processes, evaluating its technical feasibility for production in a workshop with
machine tools such as lathe, milling machine, drilling machine and press; A technical study of structural design
was carried out using ISO manufacturing standards with materials in supply status offered by the local market
such as ASTM A36 4mm hot rolled steel sheet, UPN 80, ASTM A536 nodular cast iron, AISI 1018 steel, AISI
steel 1045, assembled with SMAW welding and screws. With the general objective of designing a solution that
reduces production times to the maximum and optimizes manufacturing through machining processes with and
without chip removal, that meets the technical characteristics of quality and guarantee for the end user, it can
be installed simple way in the same workshops where they were built; checking the design results through
analysis with computational tools. The process in general will end by checking the functionality of the device
when it is subjected to a yield stress and the means of fastening to the limit of its capacity; in order to offer a
result that translates into verified mechanical resistance data that will have the function of providing operating
data. The research was carried out through a field analysis to demonstrate the capacity of the clamping tool
found in the national market, and compare it with the one manufactured in this proposal. At the end of the
project, it is functionally operational; responding to tests of torque, force, parallelism of the jaws, rapid
movement of the mobile jaw and perpendicularity of the clamped elements.
Keywords: Bench vice, machine tools, CAD, CAE, Power Screw.
Recibido: (dejar en blanco) Aceptado: (dejar en blanco)
Recibido: 18/09/2023 Aceptado: 27/10/2023
Received: 18/09/2023 Accepted: 27/10/2023
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1 INTRODUCCIÓN
El tornillo de banco es una herramienta de sujeción
que se usa como dispositivo auxiliar en el trabajo de
actividades mecánicas manuales, así como en la
sujeción de materiales para ser mecanizados por
arranque de viruta en máquinas y herramientas.
Esta herramienta tiene dos mordazas una fija y una
móvil que se acciona a través de un tornillo de
potencia, que se juntan paralelamente para sujetar
elementos y en otros casos para mecanizado de
materiales como aceros de bajo, medio contenido de
carbono, acero estructural, varios grados de acero
inoxidable con dureza promedio entre 120 y 650 en
la escala Brinell (HB).
El campo de aplicación en operaciones manuales de
aserrado, limado, montaje, ajuste mecánico etc., que
garantiza condiciones seguras de trabajo
constituyéndose un dispositivo importante en los
talleres de fabricación manufacturera y en centros
educativos de formación profesional técnica, que
permita desarrollar habilidades procedimentales en
los estudiantes por lo que es necesario contar con
este utillaje en un puesto de trabajo.
El objetivo de este proyecto implica el diseño y la
fabricación de un tornillo de banco que sea eficiente
y duradero, accesible en su construcción y útil en
talleres, además, se debe indicar que una vez
manufacturada esta entenalla, podrá ser instalada
de manera sencilla en los mismos talleres donde
fueron construidos, permitiendo la creación de un
puesto de trabajo adicional adaptado para el entorno
de producción.
Generalmente son construidos de hierro fundido gris
y acero forjado, en la presente investigación se
propone un diseño con perfiles estructurales y
aleaciones ferrosas que se pueden encontrar con
facilidad en estado de suministro en el mercado
nacional
La construcción de este dispositivo es considerado
como un proyecto integrador de saberes dentro del
área mecánica ya que permite combinar
conocimientos relacionados con la resistencia,
deformación, selección de materiales, manufactura
por mecanizado y ensamblaje mediante uniones
soldadas y no soldadas, al final del proyecto, se
obtendrá un tornillo de banco que podrían usar en
futuros proyectos y talleres.
Cortés y Consuelos [1] diseñan y manufacturan una
prensa de banco utilizando como material base
aluminio, mecanizando todas las partes en máquinas
herramientas convencionales y CNC utilizando
pernos como medios sujeción. Por otra parte el
diseño de un banco de trabajo de hierro fundido de
Sivasankaran [2] sin utilizar pernos como medio de
sujeción propone un análisis por elementos finitos
usando un software tipo CAE (ANSYS) para
determinar el mejor prototipo en función de las
deformaciones. El diseño de Chougule [3] tiene al
hierro fundido, acero de bajo y medio contenido de
carbono como materiales de construcción y
representa un típico tornillo de banco, con ligeras
modificaciones siendo prototipado mediante
impresión en 3D.
De los tornillos de banco analizados se coincide con
el propuesto por Chougle [3] , la fabricación del
tornillo de potencia por mecanizado con el de Cortés
y Consuelos [1] y la sujeción y ensamblaje como el
de Sivasankaran [2], en todos los modelos descritos
[1] [2] [3] 4] [4] se utiliza un software tipo CAE para
la simulación de cargas ya que permite evaluar y
validar virtualmente el diseño, obteniendo resultados
confiables y eficientes, reduciendo costos y tiempos
de desarrollo, en este caso se realizará un pre diseño
utilizando las diferentes cargas, fuerzas, momentos,
tensiones o condiciones que afectarían al modelo,
utilizando teorías de falla. Con los elementos
estructurales predefinidos se analiza mediante
simulación por elementos finitos (FEA) el tornillo de
banco.
Al igual que Sandeep Kumar [5] se fabricará un
tornillo de potencia usando la luneta que es un
dispositivo para evitar la flexión, soportar y guiar la
pieza en el mecanizado, para mantener tolerancias
de cilindricidad y concentricidad en el elemento
garantizando la movilidad de la mordaza móvil.
En base a la bibliografía analizada, la metodología
empleada. Se plantea como hipótesis: al diseñar un
tornillo de banco es posible construirlo con máquinas
herramientas convencionales como: torno paralelo,
fresadora, taladro y prensa hidráulica.
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2 METODOLOGÍA Y MATERIALES
El diseño apropiado se refleja en el funcionamiento
de un producto, el mismo que debe basarse en los
procesos de manufactura que estén al alcance del
constructor, según Pahl & Beitz [6], las metodologías
de diseño en ingeniería son una secuencia concreta
de acciones para el diseño de sistemas técnicos que
derivan su conocimiento de la ciencia del diseño, de
la psicología cognitiva y de la experiencia práctica en
diferentes campos.
El diseño propuesto en el presente artículo utiliza
materiales en estado de suministro que se pueden
encontrar en el mercado local tales como UPN 80,
plancha laminada en caliente de 4mm, los mismos
que acelera el proceso de fabricación además
seleccionar materiales como hierro fundido nodular
ASTM tipo A536 Grado 60-40-18 para la tuerca, AISI
1018 para el tornillo de potencia y acero AISI 1045
para las mordazas.
El modelado del tornillo de banco se realizó en un
software del tipo CAD (Diseño asistido por
computador) y el cálculo de resistencia mecánica en
un software del tipo CAE (Ingeniería asistida por
computador).
2.1 Diseño
En la figura 1 se muestra el tornillo de banco con sus
partes, datos necesario para el pre diseño y diseño.
.
Figura 1 Partes del tornillo de banco
Para el desarrollo del tornillo de banco se toma como
referencia la medida de la fuerza isométrica de la
mano y del antebrazo [7], tomando esta carga inicial
y usando sistemas de pares equivalente se conoce
las cargas que se aplicarán en cada parte, con estos
elementos se realiza el pre diseño seleccionando los
elementos estructurales como se muestra en la
figura 1.
Como dato preliminar tenemos la fuerza promedio
que es de 27.5Kgf y la longitud de palanca del tornillo
de banco de 250mm que genera un torque inicial de
6187.5Kg*mm para el pre diseño
Cada elemento será simulado en el software tipo
CAE, teniendo como referencia que el factor de
seguridad debe ser mayor a 1,25 para herramientas
[8]
Figura 2 Sistema estático equivalente para uso en
software tipo CAE
Para la planificación del mecanizado se considera la
maquinaria accesible al medio previo a la
manufactura del tornillo de banco. La construcción
obedece a un grupo de procedimientos necesarios
para el cumplimiento de normas de fabricación ISO
1101 e ISO 286 [9]
Las especificaciones técnicas se establecen en el
diseño.
• Altura 155 mm
• Largo 345 mm
• Ancho 300 mm
• Peso aproximado 16,357 Kg
• Apertura máxima de las mordazas: 85mm
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En un análisis preliminar se contempla el uso de
máquinas herramientas para la fabricación de
componentes y la unión de juntas mediante
soldadura y tornillería.
El control dimensional para la construcción del
dispositivo se realizará, teniendo en cuenta la
tolerancia admisible de 0,2 mm/m en cilindricidad y
0,03 mm en concentricidad para el tornillo de
potencia, perpendicularidad entre la base y las
mordazas de 0,1 mm, paralelismo entre las
mordazas de 0,05 mm, todos estos datos
referenciados de la norma ASME Y14.5.[10]
permitiendo ajustarse al planteamiento del diseño,
asegurando un funcionamiento
Las mordazas son intercambiables, esto con la
finalidad de usarlas para materiales semiduros y la
facilidad de cambio cuando haya desgaste, como se
muestra en la figura 3.
Figura 3 Muelas intercambiables.
Se usa la norma DIN 103 [8] para establecer los
parámetros del tornillo de avance con un diámetro
exterior de 24,5 mm, paso de 3mm y un ángulo de
perfil de 30º
Como se observa en la figura 1 el torque genera una
fuerza axial, usando la ecuación 1 a partir del torque
encontramos dicho parámetro que se utilizará en el
análisis de elementos finitos.
ܶݎ ൌ כ
ʹכ ሺ Ɏ כ כ כȽ
Ɏ כ െ כ כ Ƚሻ
Donde
Tr=Torque
F= Fuerza axial
f= coeficiente de rozamiento
dm= diámetro medio
α= ángulo de cresta
l= paso
Figura 4 Fuerzas que actúan en un tornillo de
potencia generado por el torque a) La fuerza normal
en el tornillo se incrementa con el ángulo b) Fricción
producida por el collarín
En la figura 4 se muestra cómo actúan las fuerzas en
el tornillo de potencia, con los siguientes valores,
torque (Tr) de 67375 N*mm y una fuerza axial (F) de
5040,712 N.
Para el análisis de elementos finitos se utiliza los
parámetros mostrados en la tabla 1 y la figura 4
Tabla 1 Parámetros para cálculo
Tipos de
contactos
Bonded (unida mediante calor o
presión),
Frictional (coeficiente de
fricción.
Calidad de
malla
Máxima 1
Mínima 0,19
Promedio 0,87
Desviación estándar 0,13
Restricciones
Fijo en la base
Fuerza
En el extremo de la palanca
270N En las mordazas 2521N
para cada una
Momento
Flector
En las mordazas 283000N*mm
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Figura 5 Parámetros para el cálculo
El análisis tipo CAE del conjunto nos da un
coeficiente de seguridad de 1,26, una deformación
máxima de 0,97mm al final de la palanca. Como se
muestra en la figura 4
Figura 6 Coeficiente de seguridad
Figura 7 Deformación lineal
La figura 8 muestra la deformación máxima del
tornillo se encuentra entre 0,24mm y 0,32mm.
Figura 8 Pandeo del tornillo de potencia
2.2 Materiales
El empleo de componentes estándar, simplifica los
procesos de fabricación, facilita las compras, evita
las inversiones en herramientas y equipo y acelera el
ciclo de manufactura. [1]
Los materiales necesarios para la construcción se
muestran en la tabla 2:
Tabla 2 Materiales para fabricación
Elemento
Material
Mordaza fija y
móvil
Plancha de acero laminada en
caliente ASTM A36 de 4mm
de
espesor
Mordaza móvil
UPN 80, 350 mm de longitud
Tuerca
Fundición nodular ASTM A536
Grado 60-40-18
Palanca y
collarín
Acero AISI 1018
Muelas
Acero AISI 1045, templado en
aceite dureza 55HRC
Tornillos
M10 grado 8 para la base y M8
grado 5 para las muelas en las
mordazas
2.3 Metodología de mecanizado
En la fabricación del tornillo, tuerca, placas de
sujeción, palanca se aplica las normas ISO 286 y
2785 de fabricación mecánica, con los ajustes,
tolerancias geométricas, calidades superficiales y
grados de rugosidad normalizados.
Para la unión de partes se utiliza soldadura SMAW y
tornillería
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En la figura 9 se muestra la mordaza fija, las medidas
a considerar y el ensamblaje mediante soldadura,
además se toma en cuenta la deformación térmica
de la plancha de acero en el armado del tornillo de
banco.
Figura 9 Medidas para la mordaza fija
Figura 10 Medidas para la mordaza fija
En la figura 10 se muestra la mordaza móvil,
longitudes, y ensamblaje por soldadura de sus
partes.
Para el control dimensional se utilizará instrumentos
como calibrador, micrómetros para exteriores y
micrómetros para interiores; y para el control
geométrico, reloj comparador para interior, reloj
comparador para exterior, galgas y escuadras.
3. RESULTADOS
Para el análisis computacional se muestra una
condición extrema, en este caso con la apertura
máxima de las muelas genera un momento flector en
las mordazas con un esfuerzo Máximo de 227.47
MPa como se muestra en la figura 11.
Figura 11 Esfuerzo equivalente máximo en MPa. en
condiciones extremas para la mordaza móvil.
Las características de los dos tornillos de banco se
muestran en la tabla 3, al tornillo adquirido en el
mercado local se le denominará como TB1 y el
construido en esta propuesta como TB2 además se
los muestra en la figura 12
Tabla 3 Características del tornillo de banco
adquirido y el propuesto
Características
TB1s
TB2
Altura
160 mm
155 mm
Largo
350 mm
350 mm
Ancho
300 mm
300 mm
Peso Aproximado
17 Kg
16,4 Kg
Apertura máxima de
mordazas
90 mm
85 mm
Longitud de palanca
240 mm
250 mm
Tornillo de potencia
DIN 103
De=24.5
mm
DIN 103
De=24.5
mm
Para demostrar la funcionalidad del tornillo de banco
propuesto se somete a esfuerzos cortante a un tubo
cuadrado de 25.4 mm de lado, 2mm de espesor y se
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lo compara con un tornillo de banco adquirido en el
mercado local
Figura 12 Tornillos de banco aplicando carga en
tubos cuadrados. (a) TB1 b) TB2
El esfuerzo cortante a aplicarse para deformar los
tubos se calcula en función de la fuerza axial F
producto del torque Tr con la ecuación 1.
La fuerza F para el cálculo se toma de la fuerza
isométrica de la mano [7], en la tabla 4 se muestra
los valores de toque y fuerza axial además del
esfuerzo cortante resultante que deformaron a la
tubería cuadrada sometida a prueba.
Tabla 4 Valores de torque y fuerza para deformación
de tubería
Tornillo de banco
TB 1
TB2
Torque (Tr) N*mm
67375
64680
Fuerza axial N.
5040
4849
Esfuerzo cortante M*Pa.
170.46
177.56
En la figura 13 se muestra los tubos deformados en
los tornillos de banco TB1 TB2, en los dos tornillos
de banco no existieron deformaciones plásticas en
ninguna de sus partes, entendiendo que las
mordazas son las que reciben el mayor esfuerzo.
Figura 13 Tubería deformada a) en TB1 b) en TB2
4. CONCLUSIÓN
El modelo propuesto se considera suficientemente
robusto para soportar cargas en comparación con el
modelo existente, así el modelo propuesto fue
evaluado en el software calculando la deformación
para una carga dada que se compara con los
resultados de los tornillos de banco existente en el
mercado nacional dando resultados satisfactorios
El diseño y fabricación del tornillo de banco ha
cumplido con parámetros de calidad y resistencia y
con esfuerzos de trabajo de campo, faculta un
manejo fácil y fácil para sujeción, con una fuerza
isométrica máxima de prensión manual de 5040 N
El protocolo de pruebas registra eficiencia en alto
torque y la compresión entre tornillo y tuerca
La tuerca para el deslizamiento del tornillo de
potencia puede ser también construido de bronce
fosfórico pudiendo reemplazar al hierro fundido
propuesto en el presente artículo.
El tornillo de banco está funcionando con normalidad
en el taller de Mecánica Industrial A2 de la Unidad
Educativa Carlos Cisneros
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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diseño y analisis teorico practico de una
prensa de banco,” p. 118, 2006, [Online].
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Modular Fixture for Machine Vice,” vol. 8, no.
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Revista TECH Carlos Cisneros ISNN 2737-6036, Año 2023, Congreso CICT2023, páginas 9
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www.ijeter.everscience.org.
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