“De haber sabido lo que ahorasabemos hubiésemos diseñadoeste troquel de una manera

diferente”.No importa cuanta experiencia

hayamos adquirido de maneraindividual ni cuantos matricerosexperimentados e ingenierosinvolucremos en el diseño del troquel,tarde o temprano nos encontraremosexpresando esas temibles palabras.

El éxito ó el fracaso de un procesode estampado de metales se basa engran medida en lo apropiado deldiseño del troquel. Si una herramientano es diseñada correctamente, haymuy poco por hacer en el taller paraque el troquel corra en una formaconfiable y rentable. Erróneamente,muchos troqueles se consideran biendiseñados, si producen repetidamentepiezas de acuerdo al plano y a unavelocidad de producciónpredeterminada durante las pruebas.Pero, este enfoque crea dos problemas.Primero, no tiene sentido técnico nieconómico evaluar un diseño de

troquel ya que éste está terminado, ¿nodebería probarse y validarse el diseñodel troquel antes de invertir tiempo ydinero en su fabricación?. Segundo,muy a menudo después de iniciada laproducción descubrimos que cambiospequeños ⎯ al parecer insignificantes⎯ en algunas variables del proceso,como propiedades del material,lubricación del troquel, posición delblanco, temperatura ó geometría deltroquel pueden llevar a que el procesose salga de control.

Tradicionalmente las prácticas deingeniería de herramentales permitencierta libertad de diseño en la fasetemprana del proyecto, pero esalibertad disminuye rápidamente amedida que la fase de fabricación ypruebas se acercan. En contraste, comolo ilustra la figura 1, cuando se tienemás libertad de diseño del troquel setiene muy poco conocimiento de lamanufacturabilidad de la pieza (noconfundir con experiencia). Sinconocimiento de la influencia devariables como fricción, propiedades

Peter Ulintz es Encargado de Ingeniería

en Avanzada del Producto para Anchor

Manufacturing Group, Inc., en Cleveland,

OH. Ha trabajado en la industria de

conformado de metales desde 1978, su

experiencia previa incluye fabricación

de herramientas y troqueles, ingeniería

de herramentales, gerencia de

ingeniería, planeación avanzada de

procesos y desarrollo de producto.

UIintz ha sido conferencista de

seminarios, simposios y mesas

redondas para PMA desde 1996,

enfocándose en tecnología de

herramentales, embutido profundo,

simulación de conformado de metales y

solución de problemas de conformado

de metales. Sus trabajos técnicos

publicados incluyen un método de

embutido profundo asistido por

computadora y casos de estudio de

simulaciones de conformado.

Peter Ulintz

pete.ulintz@toolingbydesign.com

www.toolingbydesign.com

Diseño de Troqueles y Modelado de Procesos

Herramentales desde el DiseñoPor: PETER ULINTZ

Conceptode proceso Diseño Fabricación

Mayor

Menor

Conocimiento de manufactura

Libertad de diseño

Prueba

Fig. 1—Prácticas tradicionales de Ingeniería.

Libertad de diseño en relación al conocimiento de Manufactura.

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Herramentales desde el Diseño

de material y geometría de la pieza detrabajo en la mecánica del proceso, sevuelve imposible diseñar troquelesadecuadamente, mucho menospredecir y prevenir la presencia dedefectos.

Las técnicas de modelado deprocesos hacen accesiblesconocimientos de manufacturabasados en principios científicos en lafase temprana del diseño. Aplicar estosconocimientos basados en principioscientíficos cuando se tiene la mayorlibertad conlleva grandes beneficios,incluyendo reducción de tiempo deentrega (Fig. 2). Por ejemplo, el hechode que un ingeniero de herramentalespueda probar un concepto de procesoen la computadora antes del diseño deltroquel, provee una oportunidad parahacer mejoras al proceso mientras seevalúan variables sensibles al procesocomo son propiedades del material,perfil del blanco, diseño detransportadores, geometría del dado ycondiciones de fricción. Si es necesario,el ingeniero puede seleccionar yevaluar un enfoque de diseñototalmente diferente, debido a que elimpacto en costo y tiempo es mínimoya que no hay una herramienta física.

Las técnicas de modelado delproceso son conocidas comúnmentecomo simulación. Las simulaciones deconformado de metales usan análisisnumérico basado en el método deelemento finito. Este método consisteen tres pasos básicos: preproceso,análisis numérico y obtención deresultados.

El preproceso permite al usuarioimportar un modelo de CAD,usualmente en su formato original yllevar a cabo todo el proceso depreparación requerido para el análisis.El preproceso es el paso másimportante en el modelado del procesoy es que requiere de la mayoría deltiempo del usuario. Una vez que losmodelos de CAD son preparados, seconvierten en una malla de elementofinito. Aún cuando esto pudiera sonar

complicado, la malla es realmenteanáloga a las membranas de hule quesolíamos hacer a partir de los modelosde madera o plástico. Hacíamossuperficies de hule de manera quepudiéramos después aplanarlas ydeterminar la manera como el materialfluiría al momento de formarse. Lamalla de elemento finito puede versecomo una membrana de hule digitalque puede ser manipulada por lacomputadora.

El primer paso del proceso consisteen asegurarse que los modelos de CADson de alta calidad. Todos los modelosdeben tener sus superficies unidascorrectamente sin huecos nigeometrías discontinuas. Los modelosde poca calidad pueden producirresultados erróneos en el análisisdebido a que el programa puedeinterpretar esas superficies comoentidades individuales más que unasuperficie continúa. Todos los agujerosse eliminan del producto, a menos queel proceso de manufactura incluya esosagujeros en el blanco antes de laoperación de formando. Las pestañasque deberán ser formadas enoperaciones posteriores se desdoblande manera que reflejen la forma quetendrán en la primera estación de

formado. Pero no se deje intimidar portodo esto. Los preprocesadores sehacen cargo de muchas de estos pasosautomáticamente y de manera efectivacon un par de clic del ratón de lacomputadora.

Las propiedades del materialtambién se definen durante elpreproceso. Estas propiedades incluyenespesor del material, esfuerzo defluencia, resistencia a la tensión yvalores de n, r y K. Todos losprogramas comerciales de simulaciónde formado de chapa proporcionanestos datos por medio de tablas paramateriales típicos, asumiendo que losmateriales tienen valores típicos.Después de seleccionar un material, elusuario sólo necesita especificar elespesor. Los usuarios avanzadospueden introducir curvas de esfuerzo-deformación obtenidas a partir delmaterial de producción real.

Las condiciones de fricción,usualmente especificadas por medio deun coeficiente, son también necesariaspara el análisis. Todos los programascomerciales de simulación proveencoeficientes de fricciónpredeterminados para cada material enla tabla de materiales del programa. Elusuario puede introducir datos de

Diseño Fabricación

Mayor

Menor

Prueba

Reducciónde tiempo de entrega

Modelado deprocesos

Libertadde diseño

Conceptode proceso

Conocimiento de manufactura

Fig. 2—Aplicación de técnicas de modelado de procesos.

Conocimiento + Libertad de diseño = Reducción de tiempos de entrega

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fricción derivados de las diferentespruebas del laboratorio, incluyendo laprueba de simulación de frenos paramejorar la exactitud.

Se requieren de algunos otrosparámetros importantes de procesopara el análisis, pero estos sonnormalmente manejadosautomáticamente en el software opueden ser alterados por usuarios deCAE experimentados. Éstos incluyenestablecer condiciones de frontera(dirección del macho, especificarcuales herramientas están fijas, fuerzasde frenado); especificación decondiciones de carga (velocidad delmacho, fuerzas de sujeción de laprensa) y la determinación delcomportamiento de los materiales paradiferentes componentes (lasherramientas son rígidas, el blanco esdeformable).

Los datos finales compilados por elpreprocesador, habiendo consideradolas variables de entrada y las variablesde preproceso descritas anteriormente,

se encuentran listas para ser enviadasal módulo de cálculo. El módulo decálculo lleva a cabo los cálculosnuméricos y proporciona una pruebavirtual para el proceso modelado. Estosresultados pueden ser aceptados o elproceso puede ser modificado connuevos parámetros de entrada hastaestablecer un proceso adecuado. Estotoma usualmente no más de un díapara troqueles progresivos completosy menos de una hora paraherramientas simples de embutido.

De lo contrario, en el procesotradicional se envía al taller un diseñode troquel para su fabricación, eltroquel llega a la fase de pruebas entrecuatro y seis meses después y es en estemomento que se tienen disponibles losresultados del proceso para laherramienta diseñada. Si los resultadosson inferiores a los esperados; entoncesya podremos oír nuevamente esastemibles palabras: “De habersabido…” MF

Herramentales desde el Diseño

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