Maquina dobladora de laminas.docx

MAQUINA DOBLADORA DE LÁMINAS Barrera Flórez Oscar, Berrocal Sánchez Luis, Durango Padilla Elías Sánchez Mora Jader, Tapia Vertel Andrés, Torres Montes Mario

Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba, Córdoba-Colombia [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

Abstract---The article outlines the conditions for design and construction of a prototype machine manual sheet bending adjusted to actual operating steps in a process in treating serious sheets and plates. According to the limits of endurance. A machine is characterized by easy handling, transportation, low cost and high performance.

INTRODUCCIÓN La humanidad está creciendo a un ritmo acelerado y con ella la necesidad de nuevas herramientas que permitan suplir la alta demanda de productos realizados con láminas metálicas, teniendo mayor fuerza en los sectores automotriz y de aviación. Esta necesidad despierta en los ingenieros mecánicos un deseo de minimizar o solucionar mediante diseños tal necesidad. En el diseño de equipos de conformado de láminas metálicas son muchos los parámetros que intervienen, la geometría y las características mecánicas, tanto de los componentes de la máquina, como la pieza a trabajar son principales. Para deformar plásticamente la pieza de trabajo, esta se somete a esfuerzo cuya magnitud rebasa el límite elástico del material, pero que es inferior a la resistencia a la rotura. Durante el conformado de láminas, el material se comporta respondiendo con un endurecimiento durante su deformación. El grado de endurecimiento del material dependerá de las propiedades mecánicas iniciales, del tipo y velocidad de la deformación y la temperatura.

El establecimiento de valores óptimos para las variables dadas, ayuda a los ingenieros a establecer las condiciones correctas de conformado, con el fin de aumentar productividad y defectos de producto. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Al interior de la universidad de córdoba está funcionando un programa de estudios universitarios bastante joven, dicho programa es ingeniería mecánica el cual está funcionando desde el año 2008 en el segundo semestre. Debido al poco tiempo que tiene este programa de estar funcionando aún no cuenta con todos los laboratorios, espacios físicos, equipos y demás implementos necesarios para brindar la educación integral que todos buscamos. Debido a esta situación se plantea el hecho que desde los diferentes cursos pertenecientes al programa se realicen proyectos de aula que instruyan a los futuros ingenieros y que a la vez suplan la necesidad que tiene el programa respecto a equipos. Desde el curso de procesos de manufactura I se busca realizar un aporte de esta magnitud con el diseño y construcción de una maquina dobladora de láminas para reforzar los conocimientos de los estudiantes en este campo y para realizar el aporte al programa con una máquina de esta clase. Son muchos los factores positivos que se desprenden de este proyecto y de no llevarse a cabo se estaría viendo afectada la educación integral de cada estudiante al no aprender todos los conocimientos teóricos y técnicos referentes al proceso de doblado de láminas, el cual es ampliamente utilizado para la creación de muchos de los elementos utilizados por nosotros en la vida diaria (automóviles, electrodomésticos, estructuras, entre otros) JUSTIFICACION OBJETIVOS General Diseñar y construir una maquina dobladora de láminas de fácil operatividad, bajo costo y alto rendimiento medido a partir de sus eficiencia, aplicando y desarrollando criterios de resistencia y fatiga de materiales, con la finalidad de tener una maquina confiable y perdurable en el tiempo de operación, cumpliendo con las necesidades actuales del programa de ingeniería mecánica de tener herramientas para el tratamiento de láminas metálicas

Específico 

Determinar las dimensiones y materiales adecuados para la construcción de la maquina bajo los criterios de resistencia y fatiga de materiales.



Evaluar el rendimiento de la maquina sometida a un proceso de doblado de láminas a partir de un análisis experimental de sus eficiencia.



Estimar las condiciones mínimas de operación de la maquina bajo un proceso de doblado

ANTECEDENTES La utilización de productos derivados de procesos de conformado de láminas metálicas resalta en la actualidad, dado que se pueden encontrar en cualquier parte, desde un archivero hasta el fuselaje de un transbordador. El conformado de láminas data de 4000 años a.C. a 5000 años a.C. cuando se fabricaban utensilios domésticos y joyería en oro, plata y cobre. El formado por doblado es un proceso de movimiento alternante para doblar láminas de metal en frio en varios pasos y al final obtener un perfil deseado. (Kalpakjian, 2002) En Inglaterra la introducción en 1784 de molinos de rolado por parte del empresario e inventor metalúrgico ingles Henry Cort (1740-1800) sentó las bases para el desarrollo de equipos de modelado y conformado de láminas metálicas. (Kalpakjian, 2002)

A principios del siglo XIX se desarrolla el concepto de doblado “clamp-then-form”, un proceso que describe una etapa inicial de sujeción luego del final de formado. Este método toma gran acogida en numerosas maquinas proporcionándoles capacidad para efectuar una amplia gama de doblajes. Dadas las nuevas ideas desarrolladas, la revolución alcanza a estos dispositivos convirtiéndolos en máquinas altamente versátiles capaces de realizar distintas configuraciones de tal tarea, apareciendo así con nuevas partes agregadas y mejoradas haciendo más eficiente el conformado de producto al final del proceso. (Kalpakjian, 2002) En los años 1926, son lanzadas al mercado las primeras máquinas dobladoras del fabricante Peddinghaus, comercializadas con gran éxito. Luego este fabricante se asocia con STEMA, formando STEMA/PEDAX, llegando en la actualidad a ser uno de los proveedores más completos

este tipo de máquinas para manejo de aceros, llevando su auge hasta la automatización de los procesos1. La empresa italiana creada en 1938, OSCAM fue una de las primeras firmas en incursionar en el desarrollo de las primeras máquinas dobladoras y cortadoras, siendo reconocidos sus productos por la flexibilidad, durabilidad y calidad de sus operaciones. Esta fue la primera firma en el mundo que construyo y comercializo las primeras dobladoras de barras automáticas. Hoy en día es líder en la construcción variedad de máquinas e instalaciones para doblar2. En al año de 1992 nace la empresa colombiana Dobladora Carvajal LTDA, establecida en sus inicios con una cizalla y una dobladora manual, que se dedicaba a ofrecer los servicios de corte y doblado de láminas, alcanzada por el incremento de la demanda de los clientes, la empresa crece adquiriendo maquinaria moderna mejorando y agilizando los procesos incrementando la cobertura en la industria metalmecánica de un sector de Bogotá3. En este contexto similar evoluciona la industria de doblado en el país, pasando de máquinas manuales a sistemas hidráulicos y automatizados. En nuestra región y más específicamente en Montería existen maquinas dobladoras de láminas que funcionan para satisfacer las necesidades del

mercado; en nuestra investigación encontramos

empresas que utilizan en su proceso de producción máquinas de este tipo, ejemplo de estas empresas tenemos: Dobladora la 39, Laminas y Dobleces. Dobladora la 39 está ubicada en la ciudad de montería en la calle 39 con Cra 4ta, en esta empresa cuentan con 2 dobladoras de láminas ambas de tipo manual con dimensiones de 2.40m y 3m, también cuentan con dobladoras de cilindro y de tubo. Las piezas a fabricar en esta empresa frecuentemente son puertas, piezas de carros, piezas de hornos y estufas entre otras. Laminas y Dobleces está ubicada en la ciudad de Montería en la calle 39 con cra 5ta, en esta empresa el proceso de producción es más amplio e industrializado, poseen 4 máquinas manuales y 3 eléctricas para doblar láminas. Estas máquinas tienen capacidad de doblar láminas calibre 33 hasta láminas de 1/8 de grosor; las eléctricas tienen establecido un proceso de mantenimiento preventivo que se ejecuta semanalmente.

1

Cutmaster, STEMA/PEDAX. OSCAM, Historia. http://www.oscam.it/EN/HOME/default.aspx?f=1&lng=EN&cm1=5 3 DOBLADORA CARVAJA LTDA, Historia. http://www.dobladoracarvajal.com/HISTORIA.php 2

Se han realizado investigaciones sobre los efectos posteriores que suceden el proceso de doblado en láminas, tal como es la tendencia a la recuperación de la forma una vez retirada la solicitación aplicada generándose varios modelos para el análisis, también los efectos que producen las condiciones en las que se realiza el doblado. TEORIA RELACIONADA Conformado de metales. Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de deformación plástica, es necesario superar el límite de fluencia para obtener una deformación permanente. Dado esto el material se somete a esfuerzos que superan el límite elástico, al llegar a estos límites se consume la ductilidad del material. Esta transición se aprecia en la Fig. 1

Fig. 1. Curva esfuerzo- deformación

En el conformado de metales es de vital importancia reconocer ciertas propiedades, tales como un bajo límite de fluencia y un alto grado de ductilidad. Estas propiedades son dependientes de la temperatura, es decir, a medida que esta aumenta el límite de fluencia disminuye, mientras que el grado de ductilidad aumenta. Existe entonces una serie de operaciones en las cuales las herramientas de trabajo (dado de conformación) crean esfuerzos sobre la pieza de trabajo, obligándola a adoptar la geometría del dado. El proceso de conformado de piezas metálicas puede distinguirse tal y como aparece en la figura 2.

Conformado de metales

Temperatura de trabajo

Trabajo en frio

Trabajo en caliente

Tipo de materia prima

Láminas

Bloques

Fig. 2. Diagrama conformado de piezas metálicas

Trabajo en frio El trabajo en frio se refiere al trabajo realizado a temperaturas por debajo de la temperatura de recristalización del material. Este trabajo ocurre cuando se produce un esfuerzo mayor que la resistencia a la cedencia del material, generándose así una deformación. El trabajo en frio es ventajoso porque existe mayor precisión, menor tolerancia, mejor acabado superficie, posibilidad de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final y mayor durabilidad de la pieza. Sin embargo el trabajo en frio requiere de mayores fuerzas porque los metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación, produciendo como resultado un incremento del esfuerzo necesario para mantener la deformación y cancelar el incremento de la resistencia. Por tanto la reducción de ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensión limitan considerablemente la cantidad de operaciones de formado que pueden realizarse sobre una pieza. (Kalpakjian, 2002) Trabajo en caliente Se presenta trabajo en caliente cuando la deformación plástica del material se realiza a una temperatura mayor que la de cristalización. La ventaja principal de este método se manifiesta en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, la cual permite el moldeo de grandes partes dada la baja resistencia y el alto grado de ductilidad del material. El trabajo en caliente proporciona una mayor libertad para modificar la forma de una pieza, menor fuerza y esfuerzos necesarios para deformar el material, permite manipular materiales que son altamente frágiles en frio, no ocurre un endurecimiento de las partes y además las propiedades de fuerza generalmente se obtienen isotrópicamente. (Kalpakjian, 2002)

Sin embargo el acabado superficial de la pieza y las tolerancias de trabajo son bajas con respecto al trabajo en frio, las partes trabajadas tienen un comportamiento anisotrópico y además es difícil controlar la exactitud dimensional debido a la combinación de deformación elástica y contracción térmica del material, por lo tanto en el diseño de piezas es necesario una sobre medida o dimensión mayor al iniciar la operación. En la practica el trabajo en caliente se realiza a partir de temperaturas un poco mayores a la mitad de la temperatura de fusión (Th=0,5*Tm). (Kalpakjian, 2002) Operaciones de formado de láminas de metal En este campo es importante tener en cuenta el espesor del material de trabajo. En la industria se diferencia dos tipos de láminas, un tipo de láminas llamadas hojas cuyos espesores alcanzan un valor máximo 6 mm (1/4”) y las llamadas platinas para espesores mayores a 6 mm (1/4”). Las láminas se clasifican comercialmente dependiendo del calibre, el cual se encuentran en un amplio rango de valores que van desde calibre 38 hasta calibre 3. Conociendo que un valor alto para el calibre significa un espesor menor para la lámina. Los procesos de conformado de láminas son operaciones de trabajo en frio realizadas sobre láminas, tiras o rollos metálicos con sistemas de punzones y dados, estas operaciones son de corte, doblado y embutido. Doblado de láminas En el trabajo realizado sobre láminas metálicas, el doblado se define como la deformación controlada del metal alrededor de un eje recto a un determinado ángulo (fig. 3 (a)). Durante la operación de doblado, las fibras internas al plano del eje neutro se comprimen, mientras que las fibras externas al plano del eje neutro se tensionan (condiciones de deformación fig.3 (b)).

Fig. 3. Condiciones de deformación.4

4 5

, (Kalpakjian, 2002)

Después del proceso de laminado, mediante el cual se da origen a la lámina. Es de suma importancia conocer la dirección del laminado, puesto que si el doblado se realiza en la misma dirección del laminado, en la lámina se producirán una serie de grietas (figura 4)

Fig. 4. Defectos en el doblado de láminas.5

Las operaciones de doblado se realizan usando como herramientas de trabajo diversos tipos de dados y punzones. Los métodos de doblado más comunes y sus herramientas asociadas son el doblado en v, desarrollado con un dado en v; el doblado deslizante o de borde, ejecutado con un dado deslizante. La figura 5 muestra estas operaciones.

Fig. 5. Operaciones de doblado6

En el doblado en v, la lámina de metal se encuentra entre el punzón y el dado en forma de v, el valor del ángulo va desde muy obtuso hasta muy agudo. El doblado en v se usa generalmente para procesos de producción de baja demanda, se utiliza una prensa y los dados en v son relativamente simples y de bajo costo. El doblado en bordes implica una carga aplicada en voladizo sobre la lámina de metal. Se usa una placa de presión que aplica una fuerza de sujeción para mantener la placa sujeta al dado, mientras el punzón obliga la parte en voladizo para doblarla sobre el borde del dado.

5 6

,

(Kalpakjian, 2002)

Tipos de dobladora de láminas Existen diversos diseños y tipos de dobladoras pero la clasificación que mejor las diferencia es la que se realiza respecto al método de aplicación de la fuerza de doblado. Dicho accionamiento se realiza generalmente a través de tres formas diferentes, accionamiento manual, accionamiento neumático y accionamiento hidráulico. El accionamiento manual es el más económico pero el de aplicaciones de menor requerimientos, este consta de palancas que son accionadas por el operario, se utiliza en láminas de poco espesor y de metales blandos. El accionamiento neumático genera más fuerza que el manual y generalmente esta automatizado, su campo de aplicación y costo son mayores. Y por último el accionamiento neumático es el de mayor capacidad, este genera fuerzas muy grandes utilizadas para doblar casi cualquier lámina, este presenta un elevado costo. Análisis de ingeniería del doblado Al momento de realizar el doblado de una lámina, la lámina sufre flexión, por tal motivo una parte de la lámina quedara a compresión y otra quedara a tensión, esto es muy importante a la hora de definir un doblado, puesto que se sabrá la resistencias o esfuerzos sometidos en la pieza, se realiza esta para unos buenos cálculos de diseño. En la figura 6 se observa la terminología usada en el doblado, luego cada uno de estos términos será definido y se le dará su aplicación.

Fig. 6. Terminología de doblado

La extensión para el doblado o tolerancia para doblado, la cual se puede definir como la longitud que tiene el eje neutro en el proceso de doblado, es decir, longitud de la lámina que se va a doblar por tanto es la zona que sufrirá la deformación.

Cabe destacar que la tolerancia de doblado depende del ángulo al que se doblara la lámina y del radio de doblado; por este motivo es fácil definir una ecuación para la tolerancia de doblado la cual está dada por: (

)

Donde , Tolerancia de doblado. , Ángulo de doblado (radianes). , Radio de doblado. , Constante

.

, Espesor de lámina. Radio mínimo de doblado. El radio mínimo de doblado Rm, es uno de los factores más importantes al momento del doblado; este radio mínimo se establece cuando aparece la primera grieta sobre la pieza. Para muchos materiales este radio ya está agrupado en la tabla 1. (Kalpakjian, 2002)

Tabla 1. Radio mínimo de doblado para algunos materiales 7

Donde T, es el espesor de la lámina. Si el radio de doblado mínimo es cero esto quiere decir que la lámina puede plegarse sobre sí misma. Se tiene entonces una relación entre el espesor de la lámina y el radio de doblado, esta relación nos proporciona información sobre el porcentaje de reducción de área. La relación esta se puede observar en la fig. 7.

77

, (Kalpakjian, 2002)

Fig. 7. Curva reducción de área en tensión vs R/T8

De la figura 7 se observa que un metal laminado con 50% en reducción de área de tensión se puede doblar sobre sí mismo, parecido a doblar una hoja de papel. (Kalpakjian, 2002) Por tanto entre más pequeña sea la relación entre el radio de doblado y el espesor, la reducción de área en tensión será menor, esto es muy importante puesto que si la deformación por tensión producida por la carga en flexión en el material aumenta, la lámina llegará a agrietarse e incluso a romperse, por tal motivo el radio mínimo de doblado depende del espesor de la lámina y de la reducción de tensión del área, dando como resultado la siguiente fórmula para el radio mínimo de doblado: (

)

9

En donde r es la reducción de tensión de área de la hoja metálica. De la ec. 2 podemos notar que para un

con valor de 50, el radio mínimo de doblado en la lámina

es cero y como ya se mencionó, esta se doblaría sobre si misma Al momento de realizar el proceso de doblado es de suma importancia tener en cuenta el acabado superficial de la lámina, esta variable puede ser la causa de concentración de esfuerzo, por tanto la capacidad de doblado se ve afectada. (Kalpakjian, 2002) Recuperación elástica Cuando la presión sobre la pieza es retirada al terminar la operación, la energía elástica permanece en la parte doblada haciendo que esta recobre parcialmente su forma original. Esta recuperación

9 9

, (Kalpakjian, 2002)

elástica se define como el incremento del ángulo comprendido por la parte doblada, en relación con el ángulo comprendido por la herramienta de doblado, una vez retirada la misma, este fenómeno se llama recuperación elástica. Se puede calcular la recuperación de forma aproximada en función de los radios

, mediante

la ecuación 3. (

)

(

)

10

Fig. 8. Recuperación en una lámina doblada11

Se puede lograr una corrección para restitución elástica por varios métodos. Dos de los métodos más comunes son el sobre doblado en el cual el ángulo del punzón y su radio se fabrican ligeramente menores que el ángulo especificado en la parte final, de manera que la lámina regresa al valor deseado, y el fondeado involucra comprimir la parte al final de la carrera, deformándola plásticamente en la región de doblado. (Kalpakjian, 2002) Fuerza de doblado La fuerza que se requiere para efectuar el doblado depende de varios factores como son la geometría del punzón y el dado, así como la resistencia, ancho y espesor de la lámina de metal que se dobla. La fuerza máxima necesaria para efectuar el doblado de una lámina de metal está dada por la aproximación a una viga simple sometida a flexión.

11 11

,

(Kalpakjian, 2002)

12

Donde F, fuerza de doblado Ts, resistencia a la tensión del metal. w, ancho de la parte paralela al eje de doblado. t, espesor del material. D, dimensión del dado abierto. El valor de k depende del tipo de doblado, si se emplea doblado v el valor de k=1.33, para doblado deslizante el valor de k=0,33. La figura 9 muestra las características de las piezas de doblado.

Fig. 9. Piezas de doblado.13

Parámetros de diseño de la maquina dobladora de láminas. Con el objetivo de dar fortaleza al proceso de diseño se da paso a los requerimientos y especificaciones de la maquina mediante el análisis de modo y efectos de fallas. Las expresiones que limitan el proceso están determinadas por las condiciones de resistencia, valores deseados o esperados, factores de diseño y otras características de la ingeniería mecánica. Análisis de resistencia de materiales El análisis de falla se realiza mediante la determinación de cotas límite, las cuales se determinan aplicando las ecuaciones de resistencia de materiales. Para elementos sometidos a cargas axiales, cuya naturaleza se aprecia en la figura 10.

13

(Kalpakjian, 2002)

Fig. 10. Elementos sometidos a carga axial.14

La ecuación 5, que rige el comportamiento del elemento está dado por: |

|

15

Donde , representa la reacción del material. F, representa la fuerza axial y A, el área de la sección transversal del elemento. Para elementos sometidos a cargas de tipo normal, cuya naturaleza se aprecia en la figura 11.

Fig. 11. Diferencial de esfuerzos debido a flexión pura.16

La ecuación 6, que rige el comportamiento del elemento está dado por:

Donde , representa la reacción del material. M momento flector máximo y c representa la distancia desde el eje neutro a la fibra más alejada. Dada estas condiciones de evaluación, las restricciones para el problema de diseño de la máquina de doblado son las siguientes: -

Potencia consumida en el proceso de doblado.

-

Vida útil proyectada para la máquina.

14 14

,

16

(Ferdinand Beer, 2007)

(Ferdinand Beer, 2007)

-

Factor de diseño para la falla por fatiga de ejes y palancas.

-

Factor de diseño para la falla por fatiga superficial del punzón de doblado. (Ferdinand Beer, 2007)

BIBLIOGRAFÍA  Cembrero, Jesus (2006) “ciencia y tecnología de los materiales: problemas y cuestiones”, primera edicion, Ed. Pearson education s.a., pag 40-48  Kalpakjian, serope “manufactura, ingeniería y tecnologia”, cuarta edición, Ed. Prentice hall, pag 407-410  Hibbeler, R.C “mecánica de materiales”. Quinta edición. Ed. Pearson education s.a., pag 295-305  Gere, James M. “mecanica de materiales”, séptima edición, Ed. Cengage learning, pag 304313  Budynas, Richard G. “diseño en ingeniería de shigley” novena edición, Ed. Mc Graw hill, pag 265-275  Montes, Eduardo David, “diseño de dobladora de laminas de calibres 20 y 30” tesis disponible

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en:

http://es.scribd.com/doc/3603199/5-Tecnicas-de-Doblado, (consultado en abril 2013)  Niagra, “dobladora manuales, manual de instrucciones” manual disponible en: http://www.fablamp.com/mu250p-sp.pdf, (consultado abril 2013)  UMSS, facultad de ciencia y tecnología “operaciones de doblado” documento disponible en: http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-332.pdf, (consultado abril 2013).  Revista metal actual, “condiciones técnicas para un correcto doblado”, articulo disponible en: http://www.metalactual.com/revista/15/doblado.pdf, (consultado mayo 2013).

ANEXOS Visita de campo a dobladora la 39