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técnica y NOVIEMBRE 2014

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WWW.INTEREMPRESAS.NET

Tecnología para transformación de chapa

REPORTAJE

ARTÍCULO

EUROBLECH 2014: LOS EXPOSITORES OPINAN

EL PERFILADO DE CHAPA: DISEÑO Y DESARROLLO AVANZADO

ENTREVISTA JOSÉ ANTONIO OCAÑA, DIRECTOR DE FÁBRICA DE SYMAGA

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sumarioeditorial La chapa encuentra su hogar

REPORTA JES

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Euroblech 2014: los expositores opinan

El pasado mes de octubre tuvo lugar en Hannover la última edición de la feria Euroblech, en la que se congrega todo el sector de la estampación, el conformado de metal y las líneas de acabado. El resultado de la feria fue, a tenor de las valoraciones de la organización, muy positivo. No podía ser de otra manera. No se conoce balance de feria realizado por la organización de la misma que no reciba una valoración absolutamente optimista. Independientemente de si los expositores pueden aburrirse hasta la extenuación por la falta de público o de si la moqueta puede ser reutilizada dada la evidente falta de desgaste, las ferias son siempre un éxito inigualable. Pero dicho esto y volviendo a un tono alejado de la ironía, lo cierto es que hay certámenes que nunca defraudan. Y coincide, al menos en el ámbito industrial, que los eventos que cierran las puertas con signos verdaderamente positivos para expositores y visitantes tienen lugar en Alemania. Dejando de lado un análisis complejo de por qué ocurre esto y centrándonos en el tema central de este nuevo número de Técnica y Tecnología, la transformación de la chapa, lo cierto es que el sector de la chapa y la deformación en general han encontrado en Euroblech la cita que necesitaban. Y esto se ha hecho notar también en las ferias más genéricas, como la EMO o, más recientemente, la AMB. Estas ferias han ido perdiendo expositores de este sector, que poco a poco han ido decantándose por la especialización, no ya sólo en ferias como la Euroblech sino también en otras como la Blechexpo. Las dimensiones, consecuentemente, no son comparables con aquellas que albergan a un tipo de empresas mucho más amplio y diverso, pero aún así, la visita de 59.600 profesionales del sector puede entenderse como la aceptación de todos aquellos implicados en estos mercados.

ARTÍCULOS

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Adaptación del proceso de aplanado por rodillos a las nuevas tendencias

El perfilado de chapa: diseño y desarrollo avanzado

Aumento de la fiabilidad de las máquinas de corte por agua y abrasivo a través de la monitorización

ENTREVISTAS

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Edita:

José Antonio Ocaña, director de fábrica de Symaga

grupo

www.novaagora.com Amadeu Vives, 20-22 • 08750 Molins de Rei (Barcelona) Tel. 93 680 20 27 • Fax 93 680 20 31 Delegación Madrid Av. Sur del Aeropuerto de Barajas, 38 Centro de Negocios Eisenhower, edificio 4, planta 2, local 4 • 28042 Madrid Tel. 91 329 14 31 [email protected] • [email protected]

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Queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de cualquier apartado de la revista. D.L. B-30686-2012 / ISSN 2014-8305

Foto de la portada cortesía de Lorenzo Muñoz, S.A.

Para un medio de comunicación no es fácil aportar un punto de vista objetivo de cuál es el resultado de una feria. En esta publicación hemos querido contar con la opinión de quienes realmente sustentan las organizaciones feriales, sus clientes principales, los expositores. Todos los preguntados en el reportaje que publicamos unas páginas más adelante han mostrado su satisfacción tras el cierre de Euroblech. El sector de la chapa tiene menos presencia en los medios que el del arranque, eso es cierto, y desde luego tiene características propias que lo definen claramente, pero no por ello es un sector de menor relevancia. En ocasiones incluso ha sido el que ha mantenido a flote el conjunto del sector, al menos en las cifras oficiales de asociaciones de fabricantes de máquinas. La especialización de las ferias, la decisión de muchos fabricantes de máquinas, equipos y accesorios o periféricos para la transformación de la chapa de acudir a la que consideran su feria es una buena noticia. Y lo es también para las organizaciones feriales, porque no deja de demostrar que las ferias continúan teniendo un gran valor para las empresas cuando el concepto es el adecuado. / 3

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Reportaje

Cinco empresas afincadas en nuestro país valoran su paso por la feria alemana de transformación de chapa

EUROBLECH 2014: LOS EXPOSITORES OPINAN La ciudad alemana de Hannover acogió entre el 21 y el 25 de octubre la vigesimotercera edición de la Feria Internacional Tecnológica de la Transformación de la Chapa, Euroblech 2014, un referente europeo del sector. Entre los 1.573 expositores de 38 países participó un buen número de empresas españolas. Técnica y Tecnología ha querido conocer las impresiones de algunas de ellas tras su paso por la gran cita germana.

Javier García

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Reportaje

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uroblech es sin duda el escaparate europeo de la industria de la transformación de chapa. Prueba de ello son las arrolladoras cifras que maneja el salón todas las ediciones tanto en número de expositores como en visitas. Este año, la feria se cerró con la visita de 59.600 visitantes comerciales, que se pasearon por los más de 86.000 metros cuadrados de una feria que albergaba las novedades de 1.573 expositores internacionales. Desde la organización muestran su satisfacción por una edición que, pese a la crisis, ha batido récords de participación. “La atmósfera general de la feria fue positiva en todo momento. Hubo gran actividad comercial en los ocho pabellones de exposición y muchas de las empresas expositoras reportaron altos números de contactos comerciales internacionales y cifras boyantes de ventas. La gran mayoría de los expositores lograron alcanzar total o mayormente sus grupos objetivo y también elogiaron la calidad de los visitan-

tes comerciales, así como el carácter internacional de la audiencia”, explica Nicola Hamann, directora general de los organizadores de la feria, Mack Brooks Exhibitions. Pero ¿qué opinan los expositores que viajaron desde nuestro país a la feria alemana? Técnica y Tecnología ha tenido ocasión de entrevistar a cinco de estas compañías: Danobat, Fagor Arrasate, Soluciones Técnicas Metálicas Integradas (STMI), Salvagnini Ibérica y Valle Perfiladoras y Líneas Especiales. En primer lugar, hemos querido conocer el balance de su paso por el salón, lo que les ha aportado su participación como empresas expositoras. Para Sergio Sánchez, director comercial de STMI, su participación en Euroblech 2014 ha sido “muy positiva”. “La asistencia de visitantes y la calidad de los mismos han sido muy buenos. Hemos cerrado varias ventas y hemos conseguido abrir nuevas vías de negocio y nuevas oportunidades de venta”, sostiene. En este sentido, Ignasi Zorita, del depar-

“Hubo gran actividad comercial en los ocho pabellones de exposición y muchas de las empresas expositoras reportaron altos números de contactos comerciales internacionales”, explican desde la organización.

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Reportaje

tamento comercial de Valle Perfiladoras, destaca: “La feria nos ha permitido conocer nuevos clientes, reunirnos con los existentes, ver a nuestros competidores y compartir experiencias con los compañeros”. Por su parte, José Barrera, gerente de Salvagnini Ibérica, afirma que su paso por la feria ha sido “tremendamente positivo, tanto en el número de visitas como en su calidad”. De izquierda a derecha, Sergio Sánchez, director comercial de STMI; Claire Kuo, CEO de Seyi, y Michael Juhl, director general de Seyi Europa, en Euroblech 2014.

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Fagor Arrasate es ya un veterano participante de la Euroblech, con más de veinte ediciones a sus espaldas. “Como uno de los principales suministradores de máquina-herramienta por deformación en el mundo, la feria Euroblech representa un evento importante para, por un lado, mostrar los nuevos desarrollos en tecnología y maquinaria que Fagor Arrasate desarrolla y, por otro, contactar con sus clientes y

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Reportaje

con los nuevos que visitan la feria”, explica Lurdes Tirapu, responsable de Marketing y Comunicación de la empresa. Para Danobat Group, el balance ha sido también muy positivo. “La asistencia en general ha sido de muy buena calidad y eso nos ha permitido generar contactos muy interesantes para el futuro. Además, tanto el stand como las máquinas expuestas han gustado mucho a los asistentes”, apunta Elena Villacorta, del departamento comercial de la empresa.

añaden desde la empresa. Por su parte, subraya su carácter internacional. “A pesar de ser en Alemania recibe visitantes de todo el mundo. No es una feria centrada sólo en ese mercado. Eso nos permite un nivel de exposición muy fuerte. Diría que es la feria de transformación metálica más importante del mundo. Además, las instalaciones son muy buenas tanto a la hora del montaje del equipo como durante la misma feria”, sostienen. Para Salvagnini Ibérica, Euroblech es “una feria bien organizada, tanto para expositores como para visitantes”.

Los aspectos más destacados

Los aspectos a mejorar

La feria dedica grandes esfuerzos todos los años para consolidar su liderazgo en el sector. Pero, ¿qué destacan las empresas encuestadas de su organización? STMI valora los esfuerzos empleados por Euroblech para promocionar la feria y a sus expositores, mientras que Fagor Arrasate destaca que el salón se ha convertido a lo largo de los años en la feria de referencia en el sector de estampación, metalforming y líneas de acabado, con visitantes y clientes que la visitan de todas las partes del mundo. “El evento, además, se celebra en una ciudad de fácil y conveniente acceso”,

También hemos querido saber los aspectos a mejorar tanto de la organización como de la feria en sí. En este sentido, la empresa Valle Perfiladoras mejoraría las infraestructuras de telecomunicaciones. “No es de recibo el colapso de las comunicaciones móviles ni el abuso de la organización con el exorbitado precio de una conexión wifi. Por otro lado, eliminaría el sábado”, añaden. La supresión del sábado en calendario de la feria es también una de las demandas de Danobat y de Fagor Arrasate:

Stand de Fagor Arrasate en Euroblech 2014.

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Reportaje

“Pensamos que el sábado debería eliminarse porque, a efectos de negocios, es un día inhábil y ocasiona bastantes molestias en cuanto a la organización y la logística. Asimismo, los precios de alojamiento en la ciudad de Hanover, durante los días feriales, suben desproporcionada e irracionalmente”, sentencian. Por su parte, STMI demanda mayor información al expositor respecto a clientes potenciales que visitan la feria, con el objeto de organizar agendas de reuniones, mientras que Salvagnini Ibérica, que también coincide en la supresión del sábado, considera que “la oferta gastronómica sigue siendo una asignatura pendiente en Euroblech”.

Las tendencias del sector Euroblech congrega en un sólo espacio la oferta del sector, las novedades de las principales empresas de esta industria. Así, tras el paso de las cinco empresas encuestadas por la feria, hemos querido conocer cuáles serán las tendencias que marcarán el sector de la deformación metalmecánica en los próximos años. Ignasi Zorita, de Valle Perfiladoras, sostiene que el perfilado de sección variable cambiará en positivo la forma de producir de muchas empresas, “mejorando la calidad, aumentando la productividad y reduciendo drásticamente los costes”.

Y del uno al diez… Desde Técnica y Tecnología hemos pedido a las cinco empresas encuestadas que puntuasen del uno al diez aspectos como la organización, la atención y servicios al expositor recibidos, las actividades paralelas propuestas en esta edición, así como el perfil y la calidad del visitante y el nivel o volumen de negocio alcanzado durante la feria. Éstas son sus respuestas.

Danobat • • • • •

Organización: 8 Atención y servicios al expositor: 8 Actividades paralelas: 7 Perfil y calidad del visitante: 8 Nivel / volumen de negocio realizado en feria: 8

Para el director comercial de STMI, Sergio Sánchez, el mercado europeo demanda máquinas flexibles que permitan adaptarse tanto a medias como a altas producciones, sistemas de automatización de procesos que ofrezcan la posibilidad de ahorrar tiempo y stocks intermedios y medios productivos capaces de adaptarse a la continua evolución de materiales y formas. “En esta edición se ha consolidado la tecnología servo-eléctrica como la tecnología del futuro por su bajo coste de mantenimiento, alta productividad y mayor flexibilidad en todos los medios productivos”, apunta. Son varias las tendencias que destaca Lurdes Tirapu, de Fagor Arrasate. Por una lado, mayor flexibilidad en las instalaciones con tiempos de cambio y preparación menores, así como una mayor monitorización y control online y a distancia de las instalaciones y un aumento de todo tipo de materiales o procesos que permitan menores consumos de combustible en los vehículos. También subraya la “tendencia irreversible” hacia el empleo de motores servo, tanto en prensas como en todo tipo de máquinas, y el uso de aceros de mayor resistencia. Además, pronostica “una carrera entre el aluminio y el acero más resistente por aumentar su presencia en las carrocerías de los vehículos”. Para los responsables de Danobat, parece “bastante evidente” que el láser de fibra se está abriendo camino “muy rápido”, mientras que José Barrera, de Salvagnini Ibérica, afirma que el sector tiende a una mayor automatización en los equipos y mayor flexibilidad en la producción. /

STMI • • • • •

Organización: 8 Atención y servicios al expositor: 8 Actividades paralelas: 8 Perfil y calidad del visitante: 8 Nivel / volumen de negocio realizado en feria: 10

Salvagnini Ibérica • • • • •

Organización: 8 Atención y servicios al expositor: 8 Actividades paralelas: 5 Perfil y calidad del visitante: 8 Nivel / volumen de negocio realizado en feria: 9

Valle Perfiladoras Fagor Arrasate • • • • •

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Organización: 7 Atención y servicios al expositor: 7 Actividades paralelas: 7 Perfil y calidad del visitante: 8 Nivel / volumen de negocio realizado en feria: 7

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Organización: 6 Atención y servicios al expositor 4 Actividades paralelas: Perfil y calidad del visitante: 7 Nivel / volumen de negocio realizado en feria: 5

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ADAPTACIÓN DEL PROCESO DE APLANADO POR RODILLOS A LAS NUEVAS TENDENCIAS D A N I E L GARCÍA CHUECA, DIRECTOR TÉCNICO Y DE INNOVACIÓN FA G O R ARRASATE, ELENA SILVESTRE SORIANO, INVESTIGADORA D E L D EPARTAMENTO DE MECÁNICA Y FABRICACIÓN E N M O NDRAGON UNIBERTSITATEA La competitividad y especificaciones requeridas por los consumidores en el mercado durante los últimos años, han impulsado al desarrollo de nuevos materiales y procesos de fabricación que aporten mejoras en lo que se refiere a sostenibilidad medioambiental, seguridad y precio. En este contexto, se ha prestado especial atención a los aceros de alta resistencia (foto 1) por su elevado límite elástico, a nuevas aleaciones de aluminio que ofrecen una mayor resistencia y un peso menor a los aceros, e incluso a materiales ligeros como el magnesio que pese a su baja conformabilidad se está convirtiendo en un material atractivo debido a su baja densidad. El interés por estos materiales ha sido principalmente relevante en la industria automovilística, donde las restricciones medioambientales y económicas impuestas en los últimos años han promovido el desarrollo de automóviles ligeros, lo cual está ligado directamente con la reducción del consumo de combustibles y la reducción de la generación de CO2. El uso de estos materiales supone un nuevo desafío para los fabricantes ya que muestran una conformabilidad limitada, una fuerte influencia del springback y un elevado nivel de tensiones residuales. Además del drástico incremento de las fuerzas necesarias para ser conformados, el desgaste de herramientas, aparición de grietas, etc. La situación ha llevado a los fabricantes a adaptar los procesos de conformado existentes o desarrollar nuevo procesos para estos materiales.

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urante el proceso de fabricación de chapa, ésta se ve sometida a laminación en frío y en caliente, lo que aporta unas propiedades mecánicas al material. Sin embargo, durante este proceso, la chapa adopta defectos de forma (foto 2) y en su interior se generan elevados niveles de tensiones residuales que hacen que la calidad de la chapa no sea la adecuada. Los defectos de chapa ocurren debido a diferencias tensionales en las fibras longitudinales y transversales de la chapa. Estas tensiones aparecen por diferentes motivos como por ejemplo, un enfriamiento no homogéneo en el proceso de laminado, presión no uniforme en los rodillos del laminado, proceso de bobinado, impurezas en el material, etc. Por todo esto, las tolerancias de planitud y especificaciones del material demandadas por el mercado no pueden ser alcanzadas mediante el proceso de laminado únicamente. Una corrección de estos defectos de chapa y la liberación de tensiones residuales en el interior del material es necesaria (foto 2). Existen distintas tecnologías de aplanado para eliminar los defectos de chapa y reducir tensiones residuales, como el simple enderezado, aplanado por estirado, aplanado bajo tensión o el aplanado por rodillos. Sin embargo el aplanado por rodillos ofrece algunas ventajas que lo convierten en una de las opciones más atractivas. Se trata de la opción más económica, es un proceso rápido y continuo, y permite procesar chapas de un amplio rango de espesores y anchos de banda. La calidad de aplanado final es inferior a la de un aplanado por estirado, pero aun así, ofrece una calidad aceptable para la gran mayoría de los procesos. Hay muchos procesos posteriores que se pueden ver afectados si las chapas no han sido aplanadas adecuadamente debido a la existencia de las tensiones internas y defectos de forma, como por ejemplo procesos de prensado y estampación, procesos de corte, perfilado, etc.

Foto 1.

Foto 2

Aplanado por rodillos Una máquina aplanadora de rodillos está formada por dos líneas de rodillos. La línea superior está diseñada con una basculación que provoca que la deformación inducida por los primeros rodillos sea elevada y que esta vaya decreciendo a medida que se avanza hacia los últimos rodillos. La chapa pasa a través de los rodillos y se dobla alternativamente provocando que las fibras de la superficie estén sometidas a esfuerzos de tracción y compresión. El proceso de aplanado consiste en una elongación plástica de chapa con el objetivo de unificar las longitudes de todas las fibras longitudinales y transversales, para que las tensiones internas sean minimizadas y homogéneas (foto 3). Existe una controversia acerca de cuáles deben ser los parámetros que definan las condiciones óptimas para las que se considera que una chapa presenta una buena calidad de aplanado. Una chapa aparentemente plana puede contener un elevado nivel de tensiones residuales en su interior que hacen que su calidad no sea óptima para los procesos posteriores de conformado. Tradicionalmente, en la industria se establece como criterio para obtener una buena calidad de aplanado, que al menos / 11

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entre un 70-80% del espesor de la chapa haya plastificado, es decir, que el 70-80% del espesor de la chapa haya alcanzado el límite elástico en algún momento del proceso. Normalmente este máximo de plastificación se alcanza entre el 3º y 4º rodillo y luego se va reduciendo hasta que en la salida la chapa se encuentra totalmente en rango elástico. Sin embargo, hay autores que consideran el nivel de tensiones residuales a la salida o la propia curvatura de la chapa como parámetros más indicativos de la calidad de aplanado.

Cómo se aplana El proceso de aplanado puede dividirse en dos partes, la primera se corresponde con lo que sucede en los primeros

rodillos de la aplanadora, y la segunda parte se corresponde con lo que ocurre en el resto de rodillos (foto 4). En la primera parte, la penetración que ejercen los rodillos, y por lo tanto la deformación que sufre la chapa es mayor. En esta sección la chapa desarrolla zonas de deformación plástica que se va incrementando a medida que se dobla entre los rodillos, hasta llegar a un máximo de espesor plastificado, que suele alcanzarse en el 3º y 5º rodillo. La finalidad de esta primera sección de grandes deformaciones es que la mayor parte de las fibras del espesor alcancen el límite elástico y por lo tanto queden plastificadas, mientras que la zona central, cercana a la fibra neutra, permanecen en región elástica. De esta forma, se consigue suprimir el gradiente de tensión en el ancho de la chapa. Sin embargo, debido a los fuertes doblados en esta zona, un perfil de tensiones se genera en el espesor de la chapa. Por eso,

Foto 3.

Foto 4.

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Foto 6.

después de la primera parte, la penetración ejercida sobre la chapa va disminuyendo hasta que en la salida, los rodillos apenas la deforman. La finalidad de la segunda parte es la de eliminar gradualmente la curvatura de la chapa y reducir el gradiente de tensiones generado en la primera sección a lo largo del espesor, para obtener a la salida una chapa en la que el espesor se encuentre en rango elástico y con un reducido y homogéneo perfil de tensiones residuales.

Variables de proceso y limitaciones de la máquina Hay diferentes factores involucrados en el proceso de aplanado, y de ellos depende el resultado final del aplanado de la chapa. Por ello Fagor Arrasate en colaboración con la Universidad de Mondragón está desarrollando herramientas de cálculo de gran precisión adaptadas a las nuevas tendencias en materiales que permiten analizar cómo influyen las variables del proceso en la calidad de aplanado y así poder optimizar el diseño de máquina sin necesidad de realizar un gran número de ensayos experimentales. Los principales factores implicados en el proceso son: • Diámetro de los rodillos. • La distancia entre rodillos. • El número de rodillos. • El tipo de material. • El espesor de la chapa. • La curvatura inicial que tiene la chapa. Una aplanadora no es capaz de procesar cualquier tipo de material. Cada máquina presenta una configuración específica que le permite procesar materiales que se encuentran dentro de un rango de espesores y resistencia determinado. En particular, cada máquina tendrá una serie de características que la definen:

Foto 5.

• Máxima penetración que pueden realizar los rodillos superiores. • Fuerza total máxima que es capaz de soportar su estructura. • Fuerza máxima que es capaz de soportar un rodillo. • Potencia total máxima proporcionada por el motor. • Par máximo por rodillo. Todas estas variables definen la curva de capacidad de una máquina aplanadora (foto 5). Mediante estas curvas quedan reflejadas todas las combinaciones de espesor y límite elástico de una chapa que pueden ser procesadas por una máquina específica sin superar el rango de trabajo (región bajo la curva).Un rendimiento óptimo de la máquina aplanadora que se diseñe teniendo en cuenta todos estos factores, debe asegurar: • Alcanzar un porcentaje de plastificación en el espesor suficiente para eliminar los defectos (generalmente estimado en 80%). • Las tensiones residuales a la salida deben ser mínimas. • No se debe exceder la fuerza máxima ni par admisible por la máquina.

Estudio del comportamiento de materiales Según la teoría de plasticidad, debido a los cambios microestructurales durante los procesos de cargas cíclicas a las que se ve sometido la chapa durante el proceso de aplanado, las propiedades físicas y la respuesta de tensión en el mate/ 13

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Foto 7.

Foto 8.

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rial se van modificando en el transcurso del proceso. En particular, los materiales pueden sufrir un endurecimiento o ablandamiento cíclico. La intensidad con la que el material endurece o ablanda en cada ciclo se reduce a medida que aumenta el número de ciclos hasta alcanzar un valor de saturación. Dada esta situación, en la que la chapa modifica su comportamiento en cada rodillo por estar variando su curva de histéresis, resulta interesante profundizar en el estudio del comportamiento de material cuando se ve sometido a este tipo de cargas. Por ello, Fagor Arrasate, en colaboración con la Universidad de Mondragón, ha realizado la caracterización de una amplia gama de materiales cuando estos son sometidos a cargas cíclicas de tracción y compresión con el objetivo de modelizar su comportamiento. Los materiales caracterizados han sido minuciosamente seleccionados con el objetivo de cubrir toda la demanda del mercado actual. En concreto, entre los materiales que han sido estudiados se encuentran aceros dulces, aceros de alta resistencia, aceros inoxidables, aleaciones de

aluminio y magnesio. Para la caracterización de los materiales se han llevado a cabo ensayos de cargas cíclicas. Para ello se han diseñado distintos utillajes para llevar a cabo los ensayos experimentales con el objetivo de obtener el comportamiento del material sometido a cargas cíclicas de tracción y compresión (foto 6). Las curvas cíclicas de tracción-compresión obtenidas durante los ensayos para los distintos materiales caracterizados han revelado la diferencia de comportamiento entre las familias de materiales. Por lo general, a medida que aumenta el límite elástico de los materiales, el endurecimiento cíclico del material disminuye y el conocido Efecto Bauschinger aumenta. Este fenómeno consiste en el hecho de que al deformar un metal en una dirección hasta que se ha sobrepasado su límite de elasticidad, y deformándolo después en la dirección contraria, su límite de proporcionalidad en esta última dirección es menor. En la foto 6 se observa el resultado de algunas curvas obtenidas para diferentes aceros colocados en orden creciente de límite elástico (foto 7). Estas curvas han sido usadas para la determinación de un modelo de material que sea capaz de predecir cómo se comportan estos materiales cuando son sometidos a cargas cíclicas. El resultado de la modelización ha demostrado que los materiales de alto límite elástico tienden a comportarse hacia un modelo más cinemático, mientras que los materiales de bajo límite elástico suelen comportarse según dictan los modelos isotrópicos. Por este motivo en este estudio se ha optado por el uso de modelos mixtos de endurecimiento isotrópico y cinemático que comparten las propiedades de los dos modelos para predecir el comportamiento de los materiales.

Estrategía para la definición del proceso óptimo de aplanado La definición de los procesos de fabricación va normalmente acompañados por procesos de optimización, que en muchos casos están basados en métodos de prueba y error. Esos métodos tienen algunas desventajas como los altos costes requeridos y la incertidumbre del resultado final. Con el objetivo de reducir estos costes y afianzar el resultado, en los últimos años se han desarrollado herramientas compu-

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Herramienta software optimizada de Fagor para el diseño óptimo de máquina y proceso El modelo analítico ha sido implementado en un software personalizado, con una interface fácil e intuitiva que permite calcular las distintas variables del proceso para una configuración de aplanadora determinada de forma prácticamente instantánea. Gracias a la rápida respuesta del programa, la herramienta ha resultado ser muy útil y eficaz ya que permite iterar entre las distintas opciones que ofrece el programa de forma rápida con el fin de encontrar la configuración más óptima. El modelo empleado en el desarrollo de esta herramienta de cálculo contempla la caracterización y modelizado del comportamiento de materiales hecho previamente. De este Foto 10. Foto 11. modo, el programa presenta la opción de introducir los datos del material que va a ser procesado mediante el acceso a una base de datos en la que se encuentra toda la información de los materiales caracterizados o mediante la introducción manual de los datos de un material determinado. En el programa cuenta con las siguientes funcionalidades: • Análisis de un caso particular: el usuario debe introducir en la interface la configuración de aplanadora con la que va a trabajar (nº rodillos, diámetros, distancia entre rodillos, etc.), las propiedades del materiales a tratar (espesor, ancho de banda, límite elástico, etc.) y por último las condiciones de trabajo (velocidad de la línea, % de plastificación alcanzado, etc.). El programa propone cual deben ser la colocación adecuada de los rodillos para obtener el nivel de plastificación deseado (presettings). Además permite calcular distintas variables como: el % plastificación, deformaciones, fuerza, par y potencia (foto 10). • Curvas de capacidad: El software permite calcular curvas de capacidad, en las que el usuario deberá introducir los límites de una aplanadora particular (potencia máxima, fuerza total máxima, par máximo por rodillo, etc.). Con esta información, el programa devolverá un gráfico en el que quedan delimitados los materiales (en términos de espesor y límite elástico) que pueden ser procesados con esa aplanadora (foto 11).

tacionales capaces de considerar la influencia de las variables del proceso en la calidad final de los componentes y por lo tanto, que ayuden a la optimización del proceso y de las instalaciones. En Fagor Arrasate se ha hecho una firme apuesta por estas herramientas de cálculo avanzadas con el objetivo de optimizar el proceso aplanado. Estas herramientas resultan de gran interés ya que las máquinas aplanadoras convencionales se encuentran en un momento de adaptación y mejora. La tendencia a usar materiales cada vez con mayores límites elástico y/o bajos módulos de Young ha obligado a profundizar en estudio de las aplanadoras para así asegurar su correcto funcionamiento ante estos materiales avanzados. El uso de estos materiales implica los siguientes desafíos: • Las chapas requieren mayores penetraciones de los rodillos, por lo que la aplanadora debe ser capaz de bascular lo suficiente y tener una configuración de rodillos óptima para alcanzar el nivel de plastificación requerido. • La fuerza total que la estructura debe soportar es mucho mayor, por lo que se requiere de una máquina robusta y resistente • El par y potencia requerida para procesar estos materiales también aumenta, por lo que se necesitan motores más potentes y componentes más resistentes. A la vista de los cambios que supone el aplanado de estos materiales, el proceso ha sido estudiado mediante modelos de simulación avanzada, con el fin tener un control total del proceso de aplanado. Para ello se ha seguido la siguiente estrategia de estudio: • Desarrollo de un modelo de elementos finitos que nos permite simular con exactitud y precisión el proceso de aplanado y todas sus variables. El programa ha sido desarrollado mediante el software de elementos finitos

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MSC Marc (foto 8) con un modelo de endurecimiento mixto del material para predecir de forma más correcta el comportamiento real de la chapa. Se han simulado diferentes materiales, de diferentes espesores y con distintas configuraciones de máquina con el objetivo de analizar las variables de influencia. El mayor inconveniente de este modelo es largo tiempo computacional requerido (foto 8). Desarrollo de un modelo semi-analítico basado en fórmulas analíticas que usan la información obtenida del modelo de elementos finitos. Los modelos analíticos son por lo general menos precisos que los modelos de elementos finitos ya que estos deben realizar algunas suposiciones para realizar una resolución rápida del problema. Sin embargo, mediante la combinación de un modelo analítico con los resultados obtenidos en las simulaciones de elementos finitos, se ha desarrollado un modelo capaz de obtener datos fiables y precisos, con la ventaja añadida de obtener los resultados prácticamente de forma instantánea. Validación de los modelos en un prototipo experimental. Dicho prototipo consiste en una aplanadora de tamaño reducido de 13 rodillos de diámetro 45 mm. El prototipo ha sido sensorizado para poder contrastar la información de los modelos presentados anteriormente con los valores obtenidos en los ensayos experimentales. En particular se han instalado: Sensores de par en los rodillos. Células de carga para medir la fuerza soportada por la estructura. Dispositivos de medición del consumo del motor. Chapas sensorizadas con galgas extensiométricas para medir la deformación que sufre durante el proceso (foto 9)./ / 15

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EL PERFILADO DE CHAPA: DISEÑO Y DESARROLLO AVANZADO EDUARDO CUESTA, PEDRO FERNÁNDEZ Y BRAULIO ÁLVAREZ, DEL ÁREA DE INGENIERÍA DE LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN. UNIVERSIDAD DE OVIEDO. E.P.S. INGENIERÍA DE GIJÓN. PABLO GARCÍA-CHAO Y VICENTE CASTRO, NOGUERA MAQUINARIA (DISTRIBUIDOR PARA ESPAÑA DE COPRA, DATAM SHEET METAL SOLUTIONS GMBH)

El proceso del perfilado de chapa es un proceso de conformado de chapa por deformación plástica que se emplea para obtener piezas de sección transversal constante (Fig.1). Partiendo de la banda plana, en sucesivas estaciones de rodillos el material se va plegando progresivamente hasta que se alcanza el perfil final deseado. Debido a su elevada productividad, la importancia del perfilado en la industria va en aumento y se estima que en la actualidad entre un 35 y un 45% de los productos de chapa de acero a nivel mundial se obtienen siguiendo este método. Esto supone aproximadamente un 8% de toda la producción mundial de acero.

Figura 1. Esquema del proceso de perfilado.

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pesar de su innegable relevancia dentro de la industria, el perfilado ha sido escasamente estudiado y sólo en los últimos años han comenzado a aparecer investigaciones encaminadas a comprender qué sucede realmente durante el proceso. Esto es probablemente debido a la complejidad de la deformación que el material sufre durante su recorrido a través de la máquina perfiladora y a la gran cantidad de factores que influyen en la calidad del producto obtenido. Por este motivo, el diseño de las herramientas de perfilado (los rodillos), que es lo que define el flujo del material a lo largo del proceso y por tanto el elemento más determinante en la calidad final del producto, se basa aún hoy en día en la experiencia de cada diseñador y en unas pocas reglas prácticas cuyo buen funcionamiento no está garantizado y depende de cada caso. Dentro de este contexto, el objetivo del presente artículo consiste en hacer un repaso a las técnicas modernas de diseño y desarrollo de líneas de perfilado de chapa. Actividades ambas que en la actualidad utilizan técnicas informáticas que han sustituido a los costosos ensayos en máquina real. Estas técnicas incluyen no solo software de cálculo sino también simulaciones de elementos finitos con programas previamente calibrados. En concreto, el software utilizado en este trabajo, el Copra FEA RF, ya está siendo utilizado en la actualidad con éxito por multitud de diseñadores de rodillos, por lo que su modelo de elementos finitos se puede considerar perfectamente validado para reproducir fielmente los diferentes comportamientos del material durante el perfilado. El conformado es gradual y se desarrolla en diferentes estaciones situadas de forma sucesiva. En ellas se montan los diferentes rodillos (Fig.2), siendo las más habituales las configuraciones que montan un eje superior y otro inferior en cada etapa. Con cada estación, la geometría de la chapa se va acercando progresivamente a la de la sección final.

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Además, el material va avanzando en dirección longitudinal gracias al movimiento que los propios rodillos le transmiten por fricción, ya que todos o algunos de ellos están accionados. Las estaciones van montadas sobre una máquina perfiladora, que proporciona el soporte físico y la potencia de giro a los rodillos de perfilado. Las velocidades típicas de avance de la chapa están entre 10 y 60 m/min, pudiéndose alcanzar hasta 180 m/min. El rango de espesores de chapa en que actualmente es aplicable el proceso abarca desde 0,1 hasta 20 mm.

Figura 2. Juego de rodillos para un perfil en Z montado en la perfiladora.

1. Etapas en el desarrollo de productos perfilados El flujo de trabajo tradicional en el desarrollo de productos perfilados es el que se observa en el diagrama de la Figura 3. izquierda. A partir del diseño de la pieza a producir se definen los rodillos de cada etapa, que posteriormente se fabrican y montan en la máquina perfiladora. A continuación, comienza un período de pruebas en que, a medida que se inspecciona la pieza que se va obteniendo, se van afinando los ajustes pertinentes, con el objetivo de que el resultado final se adapte a las tolerancias especificadas para el producto. Para eliminar la necesidad de realizar el remecanizado y el rediseño de los rodillos y también para reducir el papel que la experiencia juega en el proceso, recientemente comenzó a emplearse la simulación mediante elementos finitos (FEA, Finite Element Analysis) en el proceso de perfilado. Así, conociendo los resultados de la simulación, el diseñador puede anticiparse a los problemas que se vayan a presentar en el proceso real, identificando más fácilmente las fuentes de los errores y corrigiéndolos antes de fabricar las herramientas y montarlas en máquina, con el consiguiente ahorro de tiempo, esfuerzo y costes. En el presente trabajo se constata la enorme ventaja que supone seguir una metodología moderna, como la que tiene en cuenta la simulación por elementos finitos, lo que unido a un programa experto materializa las ventajas antes mencionadas. En concreto, el programa utilizado es el software Copra RollForm de dataM, con licencia cedida por la compañía Noguera Maquinaria, S.L., distribuidora para España y Portugal del programa y uno de sus Centros de Competencia a nivel mundial.

Figura 3. Flujos de trabajo en el desarrollo de productos de perfilado. Izq., modelo tradicional. Dcha., modelo avanzado que incluye simulación mediante elementos finitos.

das) que permite reducir el coste de planificación, diseño e ingeniería y permite configurar todo el proceso desde el diseño de la ‘flor’ (flujograma de las etapas de conformado), diseño de rodillos y los cálculos técnicos relacionados, hasta la simulación del proceso de conformado, la gestión del stock disponible en planta de rodillos usados, la fabricación por CNC y el control de calidad. La empresa dataM también dispone de un paquete para diseño de líneas de tubos (Copra Tube Mill Roll Design Center).

2. Software CAD/CAM/CAE para perfilado Copra RollForm integra actualmente todas las funciones en un único software CAD/CAM/CAE, lo que evita problemas de compatibilidad y agiliza el proceso de desarrollo de líneas de perfilado. De hecho, es la única aplicación existente en el mercado capaz de ofrecer una solución de ingeniería integrada CAM/FEA para el proceso de perfilado. Copra Roll Design Software es una herramienta de diseño profesional de rodillos para perfilado en frío (secciones abiertas y cerra-

3. Defectos más habituales en las piezas obtenidas por perfilado En este apartado se definen algunos de los defectos que las piezas obtenidas por el proceso de perfilado suelen presentar (Fig.4), aunque la variedad existente es muy amplia. Estos defectos pueden detectarse con Copra FEA RollForm, como puede comprobarse en las figuras a las que se hace referencia en las descripciones que siguen: / 17

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Figura 4. Ejemplos de diversos defectos típicos en las piezas perfiladas.

• Recuperación elástica o springback (Fig.4 y Fig.29). Al igual que ocurre con el plegado, la deformación inducida por los rodillos es recuperada parcialmente debido a que una zona interna de la chapa permanece en el campo elástico. • Agrietamiento o fractura del material en las líneas de plegado (crack at bend lines). Este defecto aparece cuando el radio es demasiado reducido y el conformado se realiza de forma demasiado brusca (Fig.4 y Fig.7). Los adelgazamientos excesivos también son indeseados porque disminuyen la resistencia de la sección (Fig.32). • Desviaciones con respecto de la rectitud (Fig.4 y Figs.13 y 30). Aparecen como consecuencia de las tensiones internas que se liberan tras cortar el producto a la longitud adecuada. Según la dirección en que se produzcan, pueden ser de tres tipos: arqueo o bombeo (bow), en

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dirección vertical; curvado (camber), en dirección transversal y retorcimiento (twist), que es el giro en torno a un eje longitudinal. Aparece cuando el perfil no es simétrico con respecto a su plano medio. Defecto por apertura o cierre de los extremos de las secciones delanteras y traseras de la pieza o flare (Fig.4 y Fig.30). Ondulación en los bordes (edge waving, Fig.19). Tiene su origen en la deformación longitudinal relativa de los extremos de las secciones con respecto al resto del perfil. Para reducir o eliminar este defecto conviene emplear una estrategia de perfilado que minimice las deformaciones longitudinales máximas, como se verá posteriormente con el módulo DTM de Copra Rollform. Marcas superficiales (surface marks). Se producen habitualmente por la diferencia de velocidad relativa entre los rodillos y la chapa. El empleo de lubricante puede minimizar o evitar su aparición. Distorsión en agujeros prepunzonados (Fig.4). El perfilado puede deformarlos o alterar su posición. El efecto se compensa durante el propio punzonado a partir de los resultados observados, con lo que la simulación puede ayudar a predecir cuál debe ser esa compensación. Plegado al aire (Fig.4). Debido a la geometría del perfil, en ocasiones sólo se puede apoyar con rodillos la zona exterior de las líneas de plegado, quedando la interior al aire. Esto disminuye la precisión del perfil, pero los efectos pueden minimizarse actuando sobre el diseño de los rodillos.

4. Especificaciones de partida para el diseño de rodillos de perfilado Para llevar a cabo el diseño de un juego de rodillos de perfilado para obtener una pieza de chapa determinada es necesario conocer la geometría y material del producto, así como las principales dimensiones y características de la máquina perfiladora en que se van a montar. A continuación se detallan los datos más importantes de ambos tipos.

4.1. Principales dimensiones y magnitudes de la perfiladora

Figura 5. Principales partes y dimensiones de una perfiladora universal de 10 estaciones.

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Las principales características que se deben tener en cuenta en el diseño de rodillos de perfilado para una perfiladora universal típica (con eje superior e inferior biapoyados en cada estación) son las siguientes (Fig.5): • Número de pasadas disponibles. • Distancia entre estaciones o distancia entre centros horizontal. • Distancia entre los ejes superior e inferior de una misma estación o distancia vertical. • Distancia entre el eje inferior y la base de la máquina. • Longitud útil de los ejes o espacio para rodillos. • Relación de transmisión entre los ejes superior e inferior, si existe la posibilidad de accionar el superior. La velocidad de rotación de los rodillos superiores puede ser la misma o menor que la de los inferiores.

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Además, también son relevantes el diámetro de los ejes y las dimensiones de los chaveteros que transmiten la potencia de los ejes a los rodillos, ya que influyen en los diámetros máximos y mínimos que podrán tener las herramientas.

Conformidad

Materiales

4.2. Propiedades del material a perfilar

Buena

Aluminio (y aleaciones) Cobre (y aleaciones) Zinc (y aleaciones)

Aceptable

Acero Inoxidable Magnesio (y aleaciones) Zinc (y aleaciones)

Reducida (*)

Titanio (y aleaciones)

Como proceso de conformado por deformación plástica, en perfilado las tensiones que se aplican al material para plegarlo deben estar por encima del límite elástico pero por debajo de la tensión de rotura. De este modo las deformaciones inducidas serán permanentes y no aparecerá riesgo de agrietamiento o fractura. La otra característica mecánica relevante es la elongación o alargamiento a rotura del material. Cuanto mayor sea, menor será el riesgo de agrietamiento de las fibras externas de los pliegues. Estas tres propiedades se pueden obtener fácilmente a partir de información técnica proporcionada por el proveedor del material. A la vista del diagrama tensión-deformación del ensayo de tracción (Fig.6) se observa que el metal será más fácil de perfilar (ya que la zona útil para el conformado será más amplia) en los siguientes casos: • Cuanto mayor sea la diferencia entre el límite elástico y la tensión de rotura. • Cuanto mayor sea la elongación a rotura. Por tanto, se puede concluir que los materiales más difíciles de conformar, como el acero 2 de la Figura 6, son los de alto límite elástico y baja elongación a rotura. Los materiales que se emplean de forma más habitual en el proceso de perfilado de chapa metálica son aceros, inoxidables y aleaciones de aluminio. En la Tabla 1 se ofrece una comparativa acerca de la conformabilidad de los metales más utilizados. Además, en perfilado se puede conformar con éxito chapa previamente recubierta, por ejemplo galvanizada, especialmente si se emplea lubricante. También es habitual emplear material prepintado, aunque la pintura es un recubrimiento más delicado que el cincado. Por ello, en este último caso el conformado debe ser más suave y progresivo.

4.3. Especificaciones dimensionales y geométricas del perfil Como es natural, también será necesario disponer de la información geométrica completa de la pieza objeto del diseño. Esto incluye las tolerancias tanto dimensionales como geométricas (Tabla 2). Los valores de referencia que aparecen en la tabla corresponden a las tolerancias que en muchos casos aseguran por defecto los fabricantes de productos por perfilado. Bajar de estos valores es posible, pero encarece el proceso. En el caso de las dimensionales de la sección transversal, es muy complicado obtenerlas por debajo de +/- 0,1 a +/- 0,3 mm. La característica geométrica más crítica desde el punto de vista del proceso es el radio de perfilado (radio de plegado). Si es demasiado reducido, el material puede agrietarse, por lo que los fabricantes suelen especificar para cada material su diámetro mínimo de mandril. Sin embargo, la recuperación elástica es superior cuanto mayor sea el radio, ya que el porcentaje de deformación que es elástica aumenta.

Tabla 1. Conformabilidad de los principales materiales a los que se suele aplicar el proceso de perfilado de chapa metálica. (*) El titanio es perfilado en caliente (por ejemplo, a 800 °C).

En el caso del programa Copra FEA Rollform se tiene la opción de consultar un gráfico que proporciona información de cada nodo en cada etapa de deformación (diagrama Forming Limit Diagram, FLD). Esto permite observar si en alguno de los nodos de la pieza se sobrepasa el valor crítico de deformación, lo que obligaría a un rediseño del producto (Fig.7) o de las herramientas de perfilado. Al tomar esta decisión se debe tener en cuenta si el material está recubierto, ya que puede agrietarse, siendo el galvanizado el recubrimiento más elástico.

5. Diseño de rodillos para perfilado En los siguientes apartados se desarrollan los pasos del método de diseño de rodillos empleado por NGRMAQ con el programa Copra RollForm. El método se muestra de forma resumida en la Figura 8. Partiendo de la sección final, se eligen los ángulos de desplegado del perfil en cada etapa hasta llegar a la chapa plana inicial (flor). Finalmente, se diseña estación a estación la geometría de los rodillos que permitirá realizar el conformado de forma adecuada y dentro de las especificaciones requeridas.

5.1. Elección de la orientación de la sección final El primer paso al diseñar los rodillos para un determinado perfil es decidir qué orientación va a tener la sección al salir de la perfiladora. Se escogerá normalmente aquella que simplifique el conformado, aunque se debe facilitar la inspección visual de partes del perfil que sean críticas, como las pestañas del perfil en C de la Figura 9.

5.2. Selección del número de estaciones a emplear La decisión del número de pasadas o etapas en que se realizará el conformado de la pieza a perfilar supone un compromiso entre la calidad del producto que se quiere obtener y el coste de la solución adoptada. Cuanto mayor sea el número elegido, el conformado es más progresivo, con lo que se reducen las tensiones internas que merman las tole/ 19

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Tipo de tolerancia Tolerancias dimensionales de la sección transversal Tolerancia al ‘camber’ y al ‘bow’ (de rectitud) Tolerancia al ‘twist’ (de rectitud) Tolerancia de longitud de la pieza cortada Tolerancias de prepunzonadoras y preembuticiones Tolerancias sobre la ondulación de la chapa Tolerancias sobre el aspecto visual del producto

Valores de referencia Lineales: ± o,8 mm Angulares: ± 1º 1,5 mm / m lineal de chapa 1,5 / m lineal de chapa Hasta 1 m de longitud: ± 0,4 - mm ± 0,5 mm (*) De 1 a 2,5 m de longitud: ± o,8 - ± 1,2 mm (*) De 2,5 a 4 m de longitud: ± 1,5 - ± 2,5 mm (*) Tolerancias de forma, posición y dimensiones Máxima altura de picos y mínima distancia entre ellos Patrones de aspecto visual

Tabla 2. Tipos de tolerancias a tener en cuenta en piezas de perfilado. (*) Los valores más pequeños corresponden a chapa fina (hasta 0,75 mm) y los mayores a chapa gruesa (de 0,75 mm en adelante).

Figura 7.- Utilización del diagrama FLD suministrado por Copra FEA Rollform. Izq. Un nodo sobrepasa el valor crítico de deformación. Dcha. El riesgo de agrietamiento ha desaparecido al aumentar el radio de perfilado. Figura 6. Gráfica tensión-deformación para dos aceros, uno de baja resistencia y elevada elongación (acero 1) y otro de alta resistencia y baja elongación (acero 2).

rancias del producto y pueden ocasionar ondulación en la chapa. Además, se disminuye el riesgo de fractura en los pliegues. Por el contrario, como es lógico, el rodillaje necesario es menor cuantas menos estaciones se empleen y por ello la inversión requerida también lo es. Los principales factores de influencia de este parámetro y por tanto aquellos en función de los cuales se toma la decisión son los siguientes: • Las dimensiones y el espesor de la sección. • La complejidad del perfil. • Las propiedades mecánicas del material. • Las tolerancias que el producto debe alcanzar. • La presencia de agujeros prepunzonados, que puede aumentar el número de estaciones necesario, sobre todo si están en las cercanías de las líneas de plegado. • La existencia de recubrimientos previos, que aconsejan emplear un conformado más progresivo.

Figura 8. Diagrama de flujo del método de diseño de rodillos.

5.3. Cálculo del ancho de banda Para diseñar los rodillos de cada etapa es imprescindible conocer la anchura que tendrá la chapa plana que se introduce en la máquina, es decir, el ancho de banda necesario para obtener el perfil requerido. El ancho de banda se calcula como la suma de las longitudes desarrolladas que corresponden a cada uno de los elementos rectos y curvos que componen el perfil (Fig.10): el método más empleado para calcular la longitud desarro20 /

Figura 9. Distintas opciones para la orientación de un perfil en C a la salida de la máquina. Se prefiere la de la izquierda por dejar hacia arriba las pestañas, lo que facilita la inspección visual.

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llada de los pliegues es el denominado de fórmula estándar, basado en la estimación de un factor k que indica lo cerca que está esa línea neutra de la línea media con respecto al espesor total del material. La mayor parte de los métodos de cálculo de este factor están más orientados al plegado en prensas, con lo que los resultados no serán demasiado precisos para el perfilado. El parámetro k se puede estimar a través de diversos métodos, entre lo que se pueden citar: Método de la norma DIN 6935, Método de Bogojawlenskij, Método del engrapado (se aplica a pliegues de 180º), método de Oehler, método de Proksa o el método de la norma VDI. También existe la posibilidad de introducir directamente el valor del parámetro. Todos ellos están incluidos en el software Copra Rollform, pudiendo ser seleccionados tal y como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Imagen del diseño de un perfil guardarraíl en Copra Rollform. Diferentes métodos de calibración y cálculo del ancho de banda incorporados por el programa.

5.4. Diseño del layout de los rodillos El diseño del layout de los rodillos consiste en seleccionar los valores de ciertas dimensiones que condicionan el posterior diseño geométrico de los rodillos: • Diámetro de los separadores o distanciadores (Fig.11). Estos elementos son rodillos que no participan en el conformado de la chapa: su única función es la de actuar como un ‘relleno’ en el eje en las posiciones en que no se van a colocar herramientas. Su empleo cumple dos objetivos: o Facilitar la alineación de los rodillos en la perfiladora, ya que el conjunto de los separadores y los rodillos de conformado se empuja contra los hombros de la máquina. • Reducir costes, ya que al no participar en el perfilado los distanciadores se fabrican en un material mucho más barato y tienen un diámetro menor que el de los rodillos de conformado. • Cálculo del diámetro mínimo de los rodillos, limitado por dos aspectos: las dimensiones de la perfiladora y la resistencia necesaria para el conformado. • Cálculo del diámetro máximo de los rodillos, teniendo en cuenta la distancia vertical, la posición de la base de la máquina y la distancia entre estaciones. • Cálculo de los diámetros básicos o motrices, que son los diámetros medidos hasta el punto en que la velocidad tangencial de los rodillos superiores se iguala con la de los inferiores. A través de ellos los rodillos transmiten la potencia de avance a la chapa, por lo que estos diámetros básicos deben contactar con el material en las zonas más adecuadas del perfil.

5.5. Diseño de la flor La flor es el diagrama que representa el conjunto de secciones obtenidas al final de cada etapa de conformado (Fig.10 y 12). Suele incluirse también en él la sección de la chapa plana antes de entrar en la perfiladora. Por ello, una flor contendrá N+1 secciones, siendo N el número total de etapas de conformado. De este modo, la primera sección de cualquier flor será siempre una chapa plana de ancho el calculado anteriormente y la última el perfil del producto que se quiere obtener.

Figura 11. Separadores y rodillos de conformado empleados en una de las estaciones destinadas a la fabricación de un perfil en Z.

Figura 12. Flor de un perfil en Z y representación 3D del flujo de material a través de sus distintas etapas de conformado, realizada con Copra Rollform.

El proceso de diseño de la flor consiste en, partiendo del perfil final, ir definiendo el ángulo que se desplegarán en cada etapa los tramos curvos, con respecto a un plano de referencia. Cuando se hayan desdoblado todos se tendrá la chapa plana inicial y el proceso habrá finalizado. El diseño de la flor es probablemente la fase más crítica de todo el diseño de rodillos de perfilado y por ello las herramientas CAE son especialmente útiles para optimizar las decisiones en ella tomadas. Para definir la flor, se debe seleccionar en primer lugar el plano de desplegado, que es el plano vertical en dirección longitudinal con respecto al que van a girar los tramos rectos de la sección a medida que se vayan plegando los curvos. Su posición debe coincidir con la de un punto del / 21

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perfil cuya posición transversal no varíe a lo largo del conformado. Si es posible, suelen elegirse puntos pertenecientes a tramos que permanezcan horizontales en el proceso (Fig.12). A continuación ya pueden definirse los ángulos de desplegado de cada etapa de conformado. Cada perfil a obtener es diferente y requerirá un estudio particular en el que nuevamente prima la experiencia. Además, otros factores como las tolerancias del producto o las dimensiones de la máquina perfiladora que se usará pueden influir en la flor. Sin embargo, es posible dar una serie de recomendaciones generales que conviene seguir: • El flujo de material debe ser lo más suave posible. • Se debe aprovechar la simetría de las piezas si existe, conformando en las mismas etapas y con los mismos ángulos pliegues que tengan posiciones simétricas. • Si es posible, es recomendable plegar en cada etapa sólo un tramo curvo (y el de posición simétrica, si lo hay). • Se debe prestar especial atención a las esquinas ciegas, que son aquellas en que no se puede apoyar la parte interior del pliegue con un rodillo y por tanto el plegado se produce al aire (Fig.4). • En perfiles asimétricos es relativamente habitual (Fig.13) ir girando el material estación a estación para compensar el retorcimiento (twist en la Figura 4). • Un caso particular de desplegado lo constituyen los trapecios que frecuentemente se incluyen para dotar a las secciones de mayor rigidez (Fig.32). Copra Rollform incorpora un método que calcula la secuencia de desplegado óptima de los trapecios, lo cual minimiza el efecto. • Si la recuperación elástica produce desviaciones angula-

Figura 13. Resultados obtenidos en Copra FEA Rollform para un perfil en Z en el que se ha empleado la técnica de compensación de twist (izquierda) y en el que no se ha hecho (derecha).

Figura 14. Rodillo clúster empleado en el conformado de un perfil en C para evitar que la esquina sea ciega y por tanto aparezca plegado al aire.

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res superiores a 1º ó 2º es frecuente realizar el sobreplegado de los correspondientes tramos curvos (Fig.15). Finalmente, para definir completamente los pliegues de cada pasada de conformado se emplean los denominados métodos de calibración. Estos determinan el radio y la longitud de arco que tendrá cada uno de ellos en cada etapa. Copra Rollform permite emplear un método distinto en cada ángulo y en cada pasada. Los más habituales son (Fig.16): • Método de radio constante. • Método de longitud de arco constante. El empleo de un método u otro permite reducir unos u otros defectos presentes en piezas perfiladas, como la recuperación elástica o los plegados al aire. De igual modo, el desgaste de los rodillos a lo largo de su vida útil será distinto en los dos casos. Además de estos dos, Copra Rollform tiene incorporados otros métodos de calibración que permiten optimizar los resultados en diferentes situaciones (Fig.10): • Seguimiento del perfil interior o exterior. • Método del ángulo/radio

5.6. Simulación DTM (optimización de la flor) La simulación DTM (Deformation Technology Module), integrada en Copra RollForm, fue desarrollada en los años 90 para proporcionar una alternativa a las simulaciones de elementos finitos, ya que la potencia de los ordenadores de entonces no era suficiente para estas últimas. Sin embargo, hoy en día el módulo DTM continúa siendo útil para mejorar de forma rápida y preliminar el diseño de la flor, antes de realizar la simulación de elementos finitos, ya que los resultados se muestran de forma inmediata tras el clic de ratón.

Figura 15. Última sección de la flor de un perfil en C, con sobreplegado en todos sus tramos curvos.

Figura 16. Tres pasadas del desplegado de un perfil en U. Se observan las diferencias gráficas entre el método de calibración de longitud de arco constante y el método de calibración de radio constante.

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Con los diámetros básicos, las características mecánicas del material y los ángulos de plegado en cada paso, este módulo de cálculo basado en la teoría de pequeñas celdas ofrece dos resultados principales, además de una representación 3D del flujo del material durante el proceso (Fig.17 y Fig.19): • La longitud de conformado que se necesitará en cada una de las etapas tanto a la izquierda como a la derecha del plano de desplegado (Fig.17). Debe ser inferior a la distancia entre centros horizontal de la máquina, ya que de lo contrario el conformado no se completará adecuadamente.

Figura 17. Longitud de conformado de un perfil en Z (Fig.18) comparada con la distancia entre centros horizontal en la representación 3D del flujo de material proporcionada por Copra Rollform. Los valores son mayores a la izquierda que a la derecha debido a la asimetría del perfil.

Hoy en día el módulo DTM continúa siendo útil para mejorar de forma rápida y preliminar el diseño de la flor, antes de realizar la simulación de elementos finitos

Figura 18. Izq. Deformación longitudinal de un perfil en Z representada en 3D por el módulo DTM de Copra Rollform. Dcha. Diagrama de deformaciones longitudinales máximas. Representa las deformaciones máximas longitudinales a la izquierda (magenta) y a la derecha (cian) del plano de desarrollo, así como el nivel de deformación correspondiente al límite elástico (rojo). Los valores son mayores a la izquierda que a la derecha debido a la asimetría del perfil.

• Un diagrama que muestra estación a estación las deformaciones longitudinales máximas que se producen a cada lado del plano de desarrollo (Fig.18). Sobre el gráfico se representa también el nivel correspondiente al límite elástico, con lo que se puede conocer cuándo se sobrepasa. Con ayuda del diagrama de deformaciones longitudinales máximas, el diseñador de rodillos de perfilado puede variar los ángulos de la flor hasta conseguir equilibrar los picos que aparecen en las diferentes estaciones. Así, además de disminuir el endurecimiento y la presencia de ondulaciones en la chapa perfilada (Fig.19), se pueden reducir los consumos de energía de la máquina hasta en un 10%.

5.7. Diseño geométrico de los rodillos

Figura 19. Arriba. Ondulación observada en un tubo de acero de alto límite elástico en la simulación con elementos finitos y en la máquina real. Abajo. La ondulación se ha reducido en gran medida gracias a la aplicación a la aplicación del DTM.

Una vez se tienen las principales dimensiones de los rodillos fijadas a través del diseño del layout y los ángulos de la flor completamente definidos tras la optimización con el módulo DTM de Copra Rollform, se puede pasar a realizar el diseño geométrico de los rodillos de cada estación. Esta fase consiste básicamente en la definición del contorno de los rodillos. El resto de sus elementos (agujero para el eje y el chavetero y el marcado de su código de identifica/ 23

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Figura 20. Diseño básico (perfil en Z) y diseño avanzado (se trata de un guardarraíl)

Figura 21. Unidad de enderezado con movilidad en 3 ejes (arriba) y cabeza de turco perteneciente a un tubo redondo diseñada en Copra Rollform (abajo).

Preprocesado o preparación del modelo

Procesado o cálculo

Postprocesado o interpretación de los resultados

Figura 22. Flujo de trabajo con el software de elementos finitos para perfilado Copra FEA Rollform.

ción) son introducidos por Copra Rollform en cada rodillo a partir de las dimensiones indicadas por el usuario. El diseño de la geometría de los rodillos puede dividirse en dos etapas consecutivas completamente automatizadas con Copra Rollform: • Diseño básico (Fig.20 arriba). Consiste simplemente en rodear con rodillos la geometría del perfil a obtener a la salida de cada etapa de perfilado. • Diseño detallado (Fig.20 abajo). Al diseño básico se le añaden diferentes elementos geométricos para mejorar diferentes aspectos del proceso y la operación de la línea de perfilado. Entre los elementos geométricos que se introducen habitualmente durante el diseño detallado de los rodillos de perfilado pueden señalarse como ejemplo los siguientes: • Redondeo de las esquinas. • Rodillos trampa. • Ángulos de desahogo. • Espacio en el extremo de los rodillos. - División de los rodillos: - Por peso. - Para facilitar el mecanizado o el tratamiento térmico de los rodillos. - Para minimizar los efectos de los errores en la fabricación de los rodillos. • Diseño de estaciones con plegado al aire.

5.8. Diseño del enderezador o cabeza de turco La estación de enderezado es una estación de características especiales que se coloca al final de la perfiladora, para que actúe cuando el conformado ya ha finalizado. Su objetivo es corregir los defectos de rectitud del producto final: arqueo o bombeo (bow), curvado (camber) y retorcimiento (twist). Esto se consigue obligando al material a deformarse en sentido contrario al del defecto. Por tanto, la unidad de enderezado debe poder mover el enderezador hacia arriba y hacia abajo (se deforma el material para corregir el bombeo) y hacia los lados (curvado), así como girarlo en torno a un eje longitudinal (retorcimiento). Existen dos tipos principales de enderezadores: los que están formados por rodillos (cabezas de turco) y los que están formados por bloques macizos similares a las matrices de estirado. En ocasiones pueden combinarse rodillos con bloques. En general se prefieren las cabezas de turco a los bloques en secciones sencillas, ya que son más simples y sufren un menor desgaste.

6. Simulación mediante elementos finitos

Figura 23. Chapa de partida en Copra FEA Rollform y parámetros a seleccionar en el programa para su definición. Se observan los chaflanes realizados en la parte delantera de la misma.

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El software Copra FEA Rollform adapta Marc/Mentat de MSC, un programa de elementos finitos de propósito general, al perfilado de chapa. El flujo de trabajo que es recomendable usar al emplear este programa se muestra en la Figura 22:

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6.1. Preprocesado de la simulación mediante elementos finitos

La pieza de trabajo en una simulación de perfilado es, como es lógico, la chapa plana que se introduce en la máquina perfiladora. El propio software genera en Marc/Mentat la lámina con el espesor del producto y el ancho de banda calculado y es el usuario, al realizar el preprocesado, quien debe seleccionar la densidad del mallado de la misma (Fig.23). El número de elementos elegido tiene influencia en el tiempo de simulación. No obstante, también la tiene en la calidad de los resultados, por lo que debe alcanzarse un compromiso entre la rapidez de cálculo y la exactitud de la información buscada. La experiencia acumulada por dataM ha permitido que la compañía haya determinado un rango de densidad de mallado adecuado para el perfilado: un

número de elementos menor que el recomendado proporciona resultados que no se corresponderán con la realidad, mientras que una densidad mayor implicará un tiempo de cálculo que no aportará mayor calidad a los resultados. De este modo, el usuario de Copra FEA Rollform no debe seleccionar la dimensión de los elementos en milímetros, sino simplemente el valor de tres parámetros que indican valores relativos de densidad de mallado dentro del rango recomendado por dataM (Fig.24). Los tres parámetros indican densidad de mallado en diferentes direcciones y tipos de elementos del perfil: • Dirección longitudinal. • Dirección transversal para elementos rectos. • Dirección transversal para elementos curvos, dado que son los más interesantes desde el punto de vista del perfilado. Tras generar el modelo en 3D, en Copra FEA Rollform se pueden realizar ciertas operaciones de forma automática sobre la malla, como generar un chaflán en las esquinas de la parte delantera de la chapa para facilitar su entrada en las estaciones (Fig.23), mover nodos, subdividir o duplicar elementos, borrar nodos o elementos...

Figura 24. Parámetros del material de la chapa introducidos en Copra FEA Rollform.

Figura 25. Parámetros de proceso introducidos en Copra FEA Rollform.

Consta de tres pasos definidos, que pueden llevarse a cabo en minutos o, con cierta experiencia, incluso en segundos. La geometría de los rodillos previamente diseñados en Copra Rollform es importada directamente por el programa a Marc/Mentat. 6.1.1. Definición del mallado

/ 25

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/ CONFORMADO

6.1.2. Definición del material

Se deben introducir en Copra FEA Rollform dos grupos de datos referentes al material de la chapa, uno para el régimen elástico y otro para el plástico (Fig.24): • El módulo de Young y el coeficiente de Poisson. • Para el comportamiento plástico pueden introducirse dos tipos de datos:. Si se conoce, la curva de esfuerzo de fluencia (s = K (e0 + e) n), a través del coeficiente de resistencia del material, su coeficiente de endurecimiento y su deformación inicial. Si no se conoce se pueden introducir directamente el límite elástico, la tensión de rotura y la elongación a rotura proporcionados por el suministrador del material. Figura 26. Simulación del conformado del perfil en Z en Copra FEA Rollform (máquina de perfilado virtual).

Figura 27. Izq. Gráfico de vectores de esfuerzos en el conformado de un perfil en Z. Dcha. Gráfico de bandas de tensiones según Von Mises en el mismo instante.

6.1.3. Definición de las condiciones del proceso

Corresponden a una serie de factores y dimensiones que definen cómo será el perfilado que se quiere simular (Fig.25): • Debe indicarse si se partirá de chapa precortada o de bobina. • Si se desea, pueden modificarse las distancias entre estaciones previamente introducidas en Copra Rollform. • Parámetros relacionados con la soldadura, si existe. • Los patrones prepunzonados de la pieza pueden introducirse previamente a través de Autocad. • Pueden emplearse en la simulación guías de entrada a las diversas estaciones como las que en ocasiones se incluyen en las perfiladoras. • Debe especificarse si va a existir o no contacto de la chapa consigo misma, por ejemplo cuando hay pliegues a 180º de radio nulo. • Existe la posibilidad de simular el corte final, lo cual es muy útil, ya que tras él se liberan las tensiones internas y aparecen fenómenos como el bombeo, el curvado y el retorcimiento (flare). • Los parámetros relacionados con la fricción entre los rodillos y la chapa a conformar.

6.2. Postprocesado de la simulación mediante elementos finitos

Figura 28. Sección transversal simulada (rojo) y teórica (azul) obtenidas a la salida de una de las estaciones de conformado de un perfil en Z. Puede observarse la recuperación elástica sufrida por el elemento de la pestaña.

Figura 29. Izq. Vista lateral (arriba) e isométrica (abajo) de la pieza final obtenida en la simulación de un perfil guardarraíl, en las que se puede observar el fenómeno de bombeo o bow. Dcha. Secciones transversales delantera (verde), media (roja) y trasera (azul) del producto obtenido en dicha simulación, midiéndose la cuantía del defecto en Autocad. Se observa también algo de flare en la sección trasera.

26 /

Copra FEA Rollform permite explorar una máquina de perfilado virtual (Fig.26) a través de la representación tridimensional de las diferentes estaciones de rodillos y de la chapa según se va deformando. Para examinar las diferentes posiciones sucesivas que ocupa el material a lo largo de la máquina hay diferentes opciones de visualización: vistas predeterminadas, zoom, arrastre, rotación y zoom dinámicos... La chapa puede estar coloreada con diagramas de isolíneas, bandas o números que representan distintas propiedades o parámetros (Fig.27): • Los desplazamientos según los ejes x, y, z y el desplazamiento total. • La deformación en dirección del ancho de la chapa, de su espesor o longitudinal. • Los esfuerzos sobre la chapa en las direcciones x, y, z y el esfuerzo total. Además, estos esfuerzos se pueden representar como vectores de longitud proporcional a su valor, lo que es útil para examinar los puntos de contacto de la chapa con los rodillos. • Las tensiones según los ejes x, y, z y la tensión de Von Mises.

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/ CONFORMADO

6.2.1 Secciones transversales

Copra FEA Rollform permite obtener de forma automática la sección transversal adoptada por la chapa a la salida de cada una de las estaciones de conformado y compararla con la teórica prevista durante el diseño de rodillos. Así se pueden detectar problemas de seguimiento del perfil teórico durante el conformado (Fig.28). El programa proporciona también la de cualquier otra posición longitudinal con sólo seleccionar uno de sus nodos (Fig. 29). 6.2.2 Diagrama FLD (Forming Limit Diagram)

El gráfico FLD proporciona información acerca de la conformabilidad del producto simulado, es decir, permite predecir si se puede plegar el material para obtenerlo sin que se produzca agrietamiento o fractura en los tramos curvos del perfil. En la Figura 7 se observa un caso real en que el gráfico sirvió para mejorar el proceso de fabricación de un perfil determinado. Copra FEA Rollform calcula automáticamente el FLD de la sección transversal correspondiente al nodo que se seleccione, representando en el diagrama la situación de cada uno de sus nodos. De este modo, si todos los puntos están por debajo de la línea que representa el estado crítico de deformación, el conformado estará del lado de la seguridad, pero si alguno aparece por encima habrá riesgo de fractura. 6.2.3. Diagrama de deformación longitudinal (diagrama eZ(z))

El diagrama eZ(z) de Copra FEA Rollform representa la deformación longitudinal (coordenada Z en el software) sufrida por el nodo seleccionado a lo largo de todo el proceso de perfilado simulado, desde la entrada a la primera estación hasta la salida de la última y el posterior corte. Es por tanto similar al proporcionado por el módulo DTM. Junto con el diagrama de bandas que representa la deformación longitudinal, puede emplearse para explorar, tal y como se ejemplifica en la Figura 30: • La deformación longitudinal permanente que queda tras el corte, que será indicativo del endurecimiento del material. • La tendencia a la ondulación. • Si los picos de las diferentes estaciones están equilibrados, lo que es beneficioso desde el punto de vista de la calidad que se obtenga y del consumo de la perfiladora. 6.2.4. Diagrama de espesor

Al doblar la chapa, el material adelgaza en mayor o menor medida en los pliegues. Sin embargo, esta disminución del espesor no puede predecirse a priori, ya que depende en gran medida de la estrategia de conformado: si éste es más suave, el adelgazamiento será de menor magnitud. En concreto, el plegado en prensa puede considerarse a este efecto como un caso particular del perfilado en que sólo se emplea una estación de conformado, es decir, el proceso es lo más brusco posible. Por ello, el adelgazamiento sufrido será superior al que tenga lugar en perfilado. Con el objetivo de averiguar si la estrategia de perfilado adoptada durante el diseño de los rodillos hace que los adel-

Figura 30. Diagrama de bandas de deformación longitudinal y gráfico eZ (z) correspondiente a la simulación de un perfil guardarrail.

gazamientos sean críticos y disminuyan de forma sustancial la resistencia de la sección, el diagrama de espesor proporcionado por Copra FEA Rollform proporciona el espesor de la chapa a lo largo de la sección transversal seleccionada por el usuario (Fig.31). En el ejemplo de la Figura 31 se observa, además, que el rozamiento de los extremos de la chapa con los rodillos trampa provoca un ligero incremento en el grosor de los mismos. 6.2.5. Fuerzas y deflexión en el eje, daño superficial y velocidades

Además de los resultados anteriores, Copra FEA Rollform ofrece más información útil para el diseñador (Fig. 32): • Fuerzas producidas por el proceso de fabricación en las tres coordenadas, incluyendo las de rozamiento y las reacciones de soldadura. • Deflexión esperada en los ejes de las estaciones. Desde el punto de vista del perfilado la deflexión excesiva es perjudicial, ya que modifica las posiciones verticales relativas de los distintos puntos de los contornos de los rodillos. • Zonas del perfil que serán más propensas a sufrir daño superficial. • Velocidad real de la línea de perfilado, ya que la teórica (producto de la velocidad de rotación de los rodillos y su diámetro básico) se ve reducida por factores como el rozamiento, el empleo de lubricante y el diseño de cada una de las estaciones de rodillos. • Velocidad de rotación de los rodillos que sean locos. / 27

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/ CONFORMADO

Figura 31. Diagrama de espesor correspondiente a la simulación de una chapa plana con un trapecio en el centro, en el que se observa el menor adelgazamiento de los tramos curvos (0,4 mm) y un ligero incremento del espesor debido a los rodillos trampa en los extremos (0,04 mm).

7. Conclusiones El presente trabajo describe el proceso de diseño y optimización de los rodillos de una línea de perfilado de chapa. La experiencia adquirida y las conclusiones que se muestran en él han sido obtenidas gracias a la utilización de un moderno software orientado al perfilado, como es el programa Copra Rollform. Este software es hoy en día una herramienta de diseño profesional de rodillos para perfilado en frío que permite reducir el coste de planificación, diseño e ingeniería y está presente en empresas de más de 50 países de todo el mundo. El programa permite configurar todo el proceso desde el diseño de la flor (etapas de conformado) hasta el diseño geométrico de los rodillos y los cálculos técnicos relacionados. Además, incorpora herramientas que permiten la simulación del proceso de conformado (fig. 33), la gestión de la reutilización del stock de los rodillos procedente de proyectos anteriores, la fabricación por CNC y el control de calidad. En el caso del control de calidad, existen máquinas específicas (Copra RollScanner) que realizan la inspección dimensional de los rodillos ya fabricados mediante digitalizado láser y la comparan con la geometría del CAD original. Copra permite la incorporación del contorno del rodillo digitalizado a todas las fases de diseño mencionadas. /

Figura 32. Diagrama de velocidad de la línea de perfilado obtenido con Copra FEA Rollform.

Referencias Las referencias de este artículo pueden consultarse en el siguiente enlace: www.interempresas.net/A128643 Figura 33. Imagen renderizada de una simulación con Data M Sheet Metal Solutions.

28 /

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/ CORTE POR CHOR R O DE AGUA

AUMENTO DE LA FIABILIDAD DE LAS MÁQUINAS DE CORTE POR AGUA Y ABRASIVO A TRAVÉS DE LA MONITORIZACIÓN T. ARTAZA Y A. ALBERDI, TECNALIA RESEARCH AND INN O VAT I O N E. ZUDAIRE, B. AROCA Y A. SUÁREZ, MTORRES

Este trabajo pretende hacer una revisión de los estudios de monitorización realizados hasta el momento y tiene como finalidad incrementar la fiabilidad de las máquinas de corte por agua y abrasivo, a través de un sistema de monitorización que garantice el buen estado de la herramienta. Para ello, la monitorización se ha enfocado a los dos elementos claves de la herramienta: por un lado, en la correcta formación del chorro de agua a alta velocidad a través

L

a tecnología de corte por chorro de agua y abrasivo es un proceso de mecanizado flexible, barato y rápido que puede mecanizar cualquier tipo de material, incluso los de baja maquinabilidad como pueden ser el Inconel y el Titanio. Sin embargo, debido sobre todo a la falta de integración de sistemas de monitorización y control del proceso, la fiabilidad que ofrece este tipo de máquinas industriales es baja en comparación con otras tecnologías. Durante las operaciones de mecanizado que utilizan la tecnología de corte por agua y abrasivo pueden existir múltiples desviaciones de parámetros respecto a sus valores de consigna que provocan que las máquinas trabajen pero sin conseguir piezas buenas. Ésto además de producir un alto desperdicio de tiempo y de recursos energéticos supone un alto riesgo económico para cortar piezas de alto valor añadido en las que el coste de la materia prima es elevado, y por lo tanto, asegurar una alta fiabilidad del proceso es crucial.

del orifico, y por otro lado, el correcto suministro de abrasivo.

1. Introducción La tecnología de corte por agua y abrasivo (AWJ) se basa en un chorro de agua a alta presión al cual se le añaden partículas de abrasivo que son dirigidas por una boquilla focalizadora. En el cabezal se forma entonces un chorro compuesto por agua presurizada, aire y abrasivo a velocida-

30 /

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/ COR TE P OR CHORRO DE AGUA

des en torno a 300 y 1.000 m/s que es capaz de eliminar el material deseado mediante la erosión del mismo. Es decir, la tecnología de corte por agua y abrasivo (abrasive water jet) consiste en hacer incidir el chorro sobre un material el tiempo suficiente para que el chorro atraviese el mismo [1]. Es un proceso de mecanizado flexible, barato y rápido que puede mecanizar cualquier tipo de material. Sin embargo, el proceso de corte por AWJ presenta algunas limitaciones prácticas que condicionan su productividad, la evolución en las máquinas de agua se ha centrado en el aumento de ésta, incrementando para ello la presión hidráulica. Es cierto que a mayor presión, se obtiene una mayor potencia de corte, pero este aumento en la potencia de corte lleva asociados otros daños colaterales, como por ejemplo, un aumento del desgaste de los componentes del sistema de alta presión o un mayor desgaste de la herramienta de corte. Ésta evolución en los sistemas de alta presión ha dejado en evidencia otros problemas concernientes a la tecnología, como la baja incorporación de sensores para llegar a una automatización completa de estas máquinas comerciales. Existen múltiples fallos o desviaciones del proceso respecto a sus valores de consigna que provocan que la calidad de las piezas obtenidas no sea la requerida. Estos fallos pueden deberse al desgaste de la boquilla, al atasco de abrasivo en la boquilla o en el conducto de abrasivo, a la rotura de la boquilla o a la fuga de agua en el conducto de agua a alta presión. Estas limitaciones dificultan la producción desatendida de las máquinas de AWJ, por lo que es necesario desarrollar un sistema para la detección de fallos asociados a estas causas. En la bibliografía se pueden encontrar varias técnicas para la monitorización de los posibles fallos que pueden ocurrir en las máquinas de corte por agua. Annoni et al [2] estudiaron la posibilidad de controlar simultáneamente el caudal de abrasivo y la velocidad transversal, para lo que desarrollaron un aparato capaz de controlar continuamente el caudal de abrasivo. Louis y Meier [4] relacionan el diámetro de la boquilla con el flujo de aire succionado por la boquilla a través del tubo de alimentación de abrasivo, así como las pérdidas de presión en el tubo de alimentación de abrasivo. Si el tubo focalizador cambia su forma de manera significativa durante la fabricación de una pieza es imposible llevar a cabo un corte preciso [5], de aquí la necesidad de monitorizar el desgaste de estas piezas para asegurar la calidad de corte. La detección de desgastes y roturas es también posible con sensores de emisiones acústicas y con la medición del nivel de vacío en la cámara de mezclas [7].Con el objetivo de controlar la distancia de trabajof, Jurisevic et al. [8] realizaron un estudio relacionando esta distancia de trabajo con el nivel sonoro que se genera en el proceso, . Los resultados alcanzados mostraron que es posible filtrar esta señal y relacionar con la distancia de trabajo pero siempre bajo condiciones de trabajo controlados, pero mostraron dificultades para ser implementadas en condiciones de trabajo reales donde factores externos generan niveles de ruido que perturban la señal original del proceso. Axinte y Kong [9] miden las fuerzas remanentes del chorro tras el corte utilizando para ello una mesa Kistler, el objetivo que

Agua a alta presión

Orificio

Figura 1. Esquema del cabezal de corte.

Entrada de abrasivo

Cámara de mezclas

Tubo focalizador

Chorro de agua y abrasivo

persiguen es relacionar esta fuerza con las estriacionesde las piezas cortadas. Ha quedado patente la importancia de tratar de controlar el máximo número de parámetros que afectan a este proceso, pero todo Es importante controlar el máximo de parámetros posibles para poder detectar además de los posibles fallos debidos al suministro de abrasivo y al desgaste de las piezas, cualquier otro problema (como puede ser un fallo en la presión suministrada por la bomba) que pueda influir en la calidad de las piezas cortadas.

2. Control de suministro de abrasivo Los fallos por atascos de abrasivo son muy comunes y pueden dar lugar a un atasco de la boquilla o a un atasco en el conducto de abrasivo. En los casos en los que se obstruye el conducto de abrasivo la máquina sigue funcionando, al no disponer de abrasivo en el chorro se pierde la capacidad de corte de materiales duros o de elevado espesor, por lo que aunque la máquina sigue funcionando, únicamente se consigue marcar las chapas y no cortarlas, malgastando tanto tiempo como materia prima y energía. Se plantea un sistema para la monitorización de las condiciones instantáneas del proceso, resultando un sistema capaz de detectar de forma eficaz las situaciones de atasco en el conducto de abrasivo y de la boquilla. Para desarrollar este sistema previamente se llevaron a cabo varios ensayos para llegar al sistema final. Se pueden utilizar diferentes metodologías para la detección de un atasco en el suministro de abrasivo. Una de las opciones es mediante la detección del sonido (LAT) aislando las diferen/ 31

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Figura 2. Gráfico de depresión generada en el tubo de abrasivo.

0

400 bar 200 bar

-0.05

3600 bar

Se fuerza atasco a la salida del tubo (entrada de la cámara de mezclas)

3600 bar

3600 bar

-0.1

No hay consumo de abrasivo

/ CORTE POR CHOR R O DE AGUA

-0.2

Sí hay consumo de abrasivo

Presión [bar]

-0.15

3600 bar con Abrasivo

-0.25 -0.3 3600 bar con Abrasivo

-0.4 El estar obstruido, el abrasivo sigue entrando al tubo pero no sale: se apelmaza el abrasivo a la entrada del tubo (el inicio del tubo)

-0.45 -0.5 0

50

100

tes fuentes de ruido. Jurisevic y Junkar [3] han conseguido un sistema basado en este principio que se puede integrar en la máquina. Sin embargo en los ensayos llevados a cabo en Tecnalia R&I la medida del ruido no resulta ser un método muy robusto, dado que existen múltiples fuentes que provocan niveles de ruido elevados (aunque en su mayor parte instantáneos) que nada tienen que ver con el consumo o no de abrasivo: movimientos en vacío de la máquina, cambios de dirección, perforaciones, entrada o salida del chorro de la chapa a cortar y otros. Otra de las opciones estudiadas consiste en la medición de la resistencia eléctrica entre entrada y salida así como la Figura 3. Sistema de control de abrasivo instalado en máquina.

Sistema eléctrico para controlar la parada de la máquina

Estrangulamiento

32 /

150

200

250

No hay consumo de abrasivo

-0.35

temperatura en el conducto de suministro de abrasivo, ya que teniendo en cuenta que el agua es conductora y se calienta se puede detectar la presencia de agua en el conducto de abrasivo. En el interior del tubo el agua provoca un cambio brusco de temperatura de al menos 30 °C. La temperatura registrada en funcionamiento normal no es constante, se han medido oscilaciones lentas entre 28 °C y 10 °C, en función principalmente de los rebotes y salpicaduras de agua sobre el sistema de detección. El flujo de aire (o aire y abrasivo) por el interior del tubo enfría el sensor de temperatura y si las salpicaduras son bajas, la temperatura resultante es menor a la ambiente. Si ocurren salpicaduras, la temperatura puede alcanzar los casi 30 °C. En cualquier caso, las variaciones debidas a estos motivos son lentas. Cuando ocurre un atasco de boquilla, la subida de temperatura es repentina, casi instantánea y de temperatura muy superior a los 30 °C. Por último, la opción más fiable se basa en la monitorización de la depresión generada en el tubo de abrasivo debido al efecto Venturi que provoca el chorro de agua en la cámara de mezclas. Ésta depresión depende de la velocidad del chorro y de la oposición generada en el tubo. Se deduce que existirá un valor de depresión para condiciones normales de corte, que si el tubo de abrasivo se atasca en un punto entre el punto de medida y la cámara de mezclas no existirá depresión y que si se atascara en un punto entre el punto de medida y la toma de abrasivo la depresión será máxima. Sin embargo, esta depresión en condiciones habituales es muy pequeña, por tanto se opta por introducir un estrechamiento en el conducto de abrasivo para generar una depresión suficiente para ser diferenciada, pero que a su vez permita circular los caudales de abrasivo originales. Se han llevado a cabo ensayos con diferentes estrangulamientos comerciales de la marca Festo, llegando a la conclusión de que para que la medición de la caída de

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/ COR TE P OR CHORRO DE AGUA

depresión sea fiable es recomendable el uso de un estrangulamiento con una geometría interior diferente a la utilizada en los estrangulamientos comerciales. Por tanto se ha diseñado un estrangulamiento propio para poder obtener una señal óptima a la hora de detectar cualquier posible fallo sin que su inserción en la máquina suponga ninguna variación en el proceso. En la Figura 2 se muestra un gráfico de la depresión generada en el tubo de abrasivo cuando se fuerza un atasco en el mismo con el estrangulamiento diseñado en Tecnalia. Se puede ver que la caída de presión es suficientemente estable y diferenciable, lo que permite que éste sea un sistema fiable para la detección de atascos en el tubo de abrasivo. Se ha desarrollado un sistema para su instalación en máquina, que gracias a la utilización del estrangulamiento diseñado y a un sensor de presión instalado en el conducto de abrasivo, es capaz de detener la máquina cuando se produce un atasco en el mismo (Figura 3). El sistema funcionará de manera que cuando exista una demanda de abrasivo y no esté llegando al cabezal de corte, éste lo detecte y pare la máquina. Cuando no exista demanda y no haya tampoco consumo, la máquina continuará funcionando normalmente al igual que cuando exista demanda y haya consumo.

3. Control del corte 3.1. Medición Desgaste Boquilla y Zafiro Tanto la boquilla como el zafiro sufren desgaste en el cabezal de corte debido a que a través de ellos pasa el agua a alta presión constantemente, si las partículas de abrasivo llegasen hasta el zafiro puede incluso producirse la rotura del mismo de manera que el chorro no llega a formarse correctamente (Figura 4).

Figura 4. Expansión del chorro con diferentes desgastes de zafiro y boquilla [6].

Figura 5. Comparación de la señal de depresión en el tubo de abrasivo con zafiros en diferentes condiciones: nuevo (azul), desgastado (turquesa) y roto (rojo).

valor de la depresión varía en función de si estas piezas se encuentran en buen estado o no. En la Figura 5 se puede apreciar la señal recogida de depresión en el tubo de abrasivo utilizando abrasivos en diferente estado (nuevo, desgastado y roto), se ve que según la salud del empeora la depresión generada es mayor. La detección del ruido es otra de las opciones a la hora de detectar un desgaste de las piezas del cabezal de corte. Se sitúa un micrófono junto al cabezal de corte y se mide el ruido generado durante el proceso relacionando las variaciones en las señales recogidas con desgastes o roturas de las distintas piezas. En este caso, debido al ruido que conlleva el proceso es complicado detectar señales de ruido claras que puedan indicar un desgaste con fiabilidad. En la Figura 6 se puede ver como en la señal de ruido, aunque se aprecia que existe un cambio, no es fácilmente identificable ya que es una variación pequeña y además se trata de una señal poco estable. La detección de desgastes y roturas es también posible con sensores de emisiones acústicas y con la medición del nivel de vacío en la cámara de mezclas [7]. Se sitúa un sensor en la boquilla sujeto mediante una pieza metálica y otro sobre el material en el que se está trabajando (se puede ver esta configuración en la Figura 9). Con este método se podrá detectar si el zafiro está en buen estado y si se produce desgaste en la boquilla. Se han llevado a cabo ensayos con un sensor de emisiones acústicas instalado en la boquilla del cabezal de corte cambiando los parámetros del chorro (presión y caudal de abrasivo) con el fin de conocer si las variaciones en el chorro son detectables mediante este tipo de sensores. Como puede verse en la Figura 7 se observa que mediante la obtención de esta señal se pueden llegar a detectar variaciones pequeñas en el chorro, como es el caso de una variación de abrasivo de tan sólo 50 g/min. Figura 6. Señales de presión y ruido adquirida con un micrófono.

La monitorización del desgaste de estas piezas se puede llevar a cabo de distintas maneras. El mismo sistema de control para el suministro de abrasivo consistente en la medición de la depresión creada en el tubo de abrasivo sirve también para detectar una rotura o desgaste de boquilla y zafiro. En las pruebas realizadas se ha detectado que el / 33

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/ CORTE POR CHOR R O DE AGUA

Emisión acústica

Emisión acústica

3

3

2,5

2,5 2

1.51 V

1.5

AE RMS (V)

AE RMS (V)

2

1 0.5

1.37 V

1.5 1 0.5

0

0

-0.5

-0.5 0

10

20

30 40 Tiempo (s)

50

60

70

P=3500 MPa Caudal de abrasivo=350 g/min

Figura 7. Señal de emisiones acústicas recogida en la boquilla del cabezal de corte.

0

10

20

30 40 Tiempo (s)

50

60

70

P=3500 MPa Caudal de abrasivo=300 g/min

Este hecho abre las puertas a una experimentación más amplia con el fin de establecer los rangos en los que se encontrará ésta señal según se van desgastando zafiro y boquilla.

3.2. Energía del chorro El proceso de formación AWJ consiste en acelerar las partículas abrasivas con un chorro de agua a alta velocidad. Una vez el chorro de agua a alta presión pasa por el orificio situado en lo alto de la cámara de mezclas se convierte en un chorro a alta velocidad en el que se inyectan las partículas de abrasivo, éstas se aceleran en su trascurso por la boquilla generando un chorro con una gran potencia de corte que choca contra el material erosionándolo. Según el Figura 8. Parámetros del proceso. [8]

pw Tubo focalizador

Boquilla

Parámetros de proceso: hso: distancia de stand-off (mm) Vt: velocidad de avance (mm/s) Pw: presión del agua (Mpa) dwj: diámetro de la boquilla (mm)

V1

Tuerca de fijación

dwj Chorro de agua a alta velocidad

Atributos del chorro de agua: Fwj: fuerza del chorro de agua (N) Ps: presión en la superficie (MPa)

Pieza

34 /

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/ COR TE P OR CHORRO DE AGUA

SDP

Figura 9. Set-up de la mesa Kistler para la medición de las fuerzas.

Abrasivo SP Cabezal

Agua

Boquilla AWJ EA1 EA2 Aluminio Placa de Aluminio para recoger la energía sobrante del chorro Mesa KISTLER

tamaño del zafiro y la boquilla, la fuerza que tendrá el chorro será distinta, por lo que controlando la fuerza de impacto del chorro sobre el material se podrán detectar posibles desgastes en orificio y boquilla. Es posible relacionar también las marcas que existen en el material cortado con posibles variaciones en la potencia del chorro, lo que permite conocer la calidad del corte en función de las señales de las fuerzas de impacto. Una de las posibles maneras de medir la fuerza del chorro es utilizando una mesa dinamométrica para medir la energía sobrante del chorro tras cortar el material y relacionarlo con las calidades de corte (Figura 9). Se mide el impacto del chorro en la mesa a la salida del corte, en el que quedan pequeñas estriaciones cuyo tamaño y frecuencia dependerán de la energía del chorro en ese momento. Cuanto peor sea la calidad del corte menor será la fuerza que ejercerá el chorro sobre la mesa. En los ensayos correspondientes además de la obtención de las fuerzas con la mesa Kistler, se colocan también sensores de emisiones acústicas para detectar si existe alguna relación entre las estriaciones que se producen en la pieza y las señales recogidas de fuerza y emisiones acústicas. Se llega a la conclusión de que las fuerzas medidas con la mesa Kistler no guardan mucha relación con las estriaciones medidas sobre la pieza. Sin embargo, en el estudio de las señales de emisiones acústicas se puede apreciar que realizando un análisis en frecuencia los valores obtenidos se corresponden con aquellos medidos sobre la pieza (Figura 10). Por tanto, se deduce que mediante el análisis de las señales de emisiones acústicas se puede llegar a conocer las estriaciones que se obtendrán en la pieza final. / 35

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/ CORTE POR CHOR R O DE AGUA

Amplitude Spectrum of AE (1)

Frecuencia=41,9618 Hz Velocidad de avance=1375 mm/min

detectar las fugas o los desgastes de los componentes monitorizando en todo momento la diferencia de presión entre un sensor y otro. Con la medición de la presión en el cabezal de corte se ha visto que la presión que llega al mismo no es la misma que la que proporciona la bomba e indica la máquina, sino que siempre existen unas pérdidas de presión debidas al número de codos, longitud de la tubería, etc. Controlando el valor de la presión en cabezal se controla que la presión de corte es la adecuada y se conoce para el tratamiento de las señales y los posteriores cálculos el valor real de la presión que se está utilizando durante los ensayos [10]. Lo que se pretende con la introducción de un segundo sensor a la salida de la bomba es conocer realmente si el valor de la presión en el cabezal es debido a las pérdidas propias de la distribución de la máquina o porque el agua no sale de la bomba con el valor de presión comandado desde el control.

4. Conclusiones

Distancia entre estriaciones ⬇0,546 mm

Distancia entre estriaciones (media)= 0,5944 mm

Figura 10. Mediciones sobre la pieza cortada y análisis en frecuencia de las señales de emisiones acústicas recogidas durante el corte.

Presión a la entrada del cabezal en función del orificio

3500

Presión real (bar)

3450 3400 3350

Dn=0,4 mm Dn=0,35 mm Dn=0,28 mm Dn= 0,25 mm

3300 3250 3200 0

5

10

15

20

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30

En este artículo se muestran los principales problemas que se producen durante el mecanizado mediante chorro de agua y abrasivo además de algunas de las técnicas de monitorización que pueden ser utilizadas. Se ha mostrado que son muchos los parámetros que intervienen y tienen efecto en el corte con esta tecnología. Cada uno de estos parámetros del proceso tiene un efecto distinto en las piezas cortadas. El control y monitorización de los distintos parámetros puede ayudar a hacer de este proceso, que en estos momentos está poco monitorizado, un proceso más fiable y preciso de manera que sea fácil tanto predecir un desgaste en la boquilla o el zafiro como detectar un error en la pieza por falta de presión o de abrasivo, pudiendo así parar la máquina y evitando de esta forma grandes cantidades de material y tiempo desperdiciados. Aunque las técnicas mostradas son fiables a nivel de laboratorio, el principal problema se encuentra en cómo incorporar todos estos sensores dentro de un ambiente tan agresivo como el agua, el polvo y el abrasivo.

Test #

Figura 11. Gráfico que muestra la señal de presión recogida en ensayos con zafiros de diferentes diámetros.

3.3. Presión y fugas La base fundamental del proceso es el agua a alta presión, una variación en la presión puede ser señal de desgate de algún componente de la bomba o de una fuga en las tuberías de alta presión. Se conoce gracias a la experimentación realizada que monitorizar la presión puede ayudar a conocer la salud del zafiro, se han obtenido datos con diferentes tamaños de zafiro que indican que la presión que llega al cabezal es diferente según el diámetro del zafiro. En la Figura 11 se puede ver la diferencia que existe en la señal de presión cuando cambia el tamaño del zafiro. Disponiendo de dos sensores de presión se puede llegar a 36 /

5. Agradecimientos Los autores quieren agradecer el apoyo y la implicación durante este proyecto a la empresa MTorres, además de agradecer el apoyo recibido desde el Gobierno Vasco a través de programas de apoyo a proyectos de investigación industrial y desarrollo experimental de carácter estratégico. /

Referencias Las referencias de este artículo pueden consultarse en el siguiente enlace: www.interempresas.net/A117242

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Geka ha sabido fabricar a medida las máquinas cumpliendo con todos nuestros requisitos

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José Antonio Ocaña, director de fábrica de Symaga Symaga es una empresa preparada para ofrecer un servicio global a los clientes partir de sus cuatro divisiones: Silos, para la fabricación y comercialización de silos industriales para almacenamiento de grano; Livestock para proyectos integrados para ganadería, para avicultura, porcino, ovino y bovino; Agriculture, para fabricación de poste de viña y depósitos de almacenamiento de agua; y Steel Works para tratamientos y procesos de aceros e inyección de plástico. Conscientes de la alta calidad que demandan sus clientes, en Symaga y las especificidades de sus productos, encontraron en Geka un proveedor “capaz de adaptarse a nuestras necesidades de automatización”, como explica José Antonio Ocaña, director de fábrica de Symaga. Patricia Bazaga 38 /

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Actualmente, Symaga presume de exportar un 95% de su producción. ¿Qué aconseja a las empresas que quieran salir al exterior tras su favorable experiencia? La internacionalización de una empresa es un proceso que requiere un equipo de exportación, que estudie los mercados previamente para determinar si el producto puede tener éxito o si requiere alguna adaptación y que afiance relaciones con cliente y/o distribuidores, garantizando la correcta introducción del producto. Es determinante tener una producción con calidad estandarizada y una red comercial potente.

¿Considera la inversión en I+D+i como uno de los motores de crecimiento para Symaga? El presupuesto de inversión en I+D+i en Symaga es un 9% de su facturación, para este 2014 es de 4 millones de euros y en 2007 alcanzó los 6 millones de euros. Symaga considera que para mantener un producto en el mercado hay que tenerlo actualizado. Además, nuestro equipo de ingenieros colabora con la universidad Politécnica de Madrid y con equipos de investigación internacional, como el Bipree.

Symaga factura cerca de 50 millones de euros al año. ¿En que consideran que es fundamental invertir? Como hemos comentado en I+D+i, pero tambien en la estandarización de la calidad a través una fabricación automatizada y fiable, a finales del año pasado fuimos los primeros en obtener el certificado CE para la fabricación de silos, esto confirma que tenemos un control de fabricación homologado externamente, y no podemos olvidar el servicio al cliente, como valor añadido de Symaga, ya que el departamento comercial siempre esta apoyado en la venta con un equipo de ingenieros.

¿Qué nuevos materiales han venido introduciendo en sus productos? La materia prima es fundamental en nuestra actividad porque garantiza la durabilidad el producto, este año hemos introducido el Z600 como estándar de fabricación, incrementando un 33% el recubrimiento y la protección.

Symaga tiene capacidad para transformar unos 2 millones de quilos de acero semanales gracias a la fabricación automatizada. ¿En qué maquinaría confían para cumplir con las exigencias de sus clientes? Sin duda, son las últimas tecnologías del sector las que ponemos a nuestra disposición.

El presupuesto de inversión en I+D+i en Symaga es un 9% de su facturación, para este 2014 es de 4 millones de euros

Symaga cuenta hoy con 2 máquinas manuales Geka junto a 4 automáticas.

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¿Desde cuándo cuentan con las soluciones de Geka? ¿Qué les ha hecho decantarse por este proveedor?

¿Qué modelos Geka podemos encontrar en su parte de maquinaria y cuál ha sido la última incorporación?

La máquina Geka más antigua que tenemos es de 1991. Uno de los puntos más importantes para decantarnos por Geka es la fabricación a medida de las máquinas cumpliendo con todos nuestros requisitos y adaptándose a nuestras necesidades. Además Geka siempre ha tenido una respuesta a nuestras necesidades de automatización, lo cual nos hace ser más competitivos, esto unido al servicio técnico de calidad que ofrecen con asistencia técnica inmediata y técnicos cualificados, hacen de Geka un proveedor importante en nuestra organización.

Disponemos de 2 máquinas manuales Geka, y convienen destacar los modelos automáticos que tenemos concretamente: Geka Alfa 500: con posibilidad del corte y taladrado de productos planos y angulares. • Geka Automática para llantas. • Geka Automática para tubos. Y la última incorporación la Geka Alfa 500-220T: Un sistema completo de procesado para el punzonado, taladro, marcado y corte de llantas controlado numéricamente y programable mediante CNC basado en PC. Para procesar llantas de 50 a 500 mm de ancho y hasta 35 mm de espesor y Longitud del material 6 ó 12 metros, de alta resistencia.

Geka siempre ha tenido una respuesta a nuestras necesidades de automatización, lo cual nos hace ser más competitivos

Colaboran estrechamente con el proveedor Geka. ¿Qué ventajas aportan las herramientas de su proveedor? En cuanto a las herramientas cabe destacar la flexibilidad del diseño y fabricación de herramientas especiales, así como la relación calidad-precio, tanto de estas herramientas especiales como de las herramientas más comunes.

Para finalizar, ¿Pueden destacar algún proyecto innovador que provenga del presupuesto destinado a I+D+i? Ademas de una revisión constante del silo industrial, el presupuesto de I+D+i de estos ultimo años está destinado a la definición de proyectos completos de ganadería./

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