8/2/2019 Un enfoque cientfico para el perfilado de chapa

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Tecnologa de chapa, barra y tubo

28 marzo

El estado tecnolgico del sectordel perfilado en la Pennsula Ibrica

El proceso del perfilado de chapa es amplia-mente conocido en la industria y se emplea enun gran nmero de sectores distintos. En laactualidad, se estima que aproximadamente el8% de la produccin mundial de acero se con-vierte en perfiles siguiendo este mtodo [1]. Apesar de esta importante penetracin en el mer-cado, el conocimiento que del proceso tienen lasempresas no propiamente perfiladoras es muy

limitado. La falta de claridad acerca de lo querealmente le sucede a la chapa durante el mismosupone un grave obstculo a la hora de dar aconocer hacia el exterior los problemas y limita-ciones del perfilado. An ms, tambin dificultala difusin de los conocimientos dentro de laspropias organizaciones, suponiendo un impedi-mento a la hora de realizar el relevo generacio-nal en la propia compaa.

La ausencia de un enfoque sistemtico tambin merma lacompetitividad de las empresas de perfilado de la PennsulaIbrica a la hora de trabajar en el exterior. A pesar de dispo-ner de una amplia experiencia, las tolerancias y los tiemposde respuesta exigidos por los pases y sectores en la vanguar-

dia tecnolgica suponen una barrera a su competitividad queen muchas ocasiones es insalvable. De hecho, muchas de lasdificultades que durante la puesta a punto del proceso seachacan a agentes externos (suministrador de la chapa, dise-ador del producto) se deben en realidad a una falta deadaptacin a las situaciones diversas generada por la propiaignorancia de los mecanismos bsicos de deformacin queactan en el perfilado.

Emplear una aproximacin cientfica al perfilado es elfactor diferencial que permite a las compaas ms desarro-lladas reducir los tiempos y costes a la hora de fabricar pro-ductos ms complejos, con tolerancias ms estrechas o enmateriales avanzados.

El anlisis previo de la deformacin hace posible antici-parse a los defectos que van a aparecer en mquina antesincluso de fabricar las herramientas. Se pueden tomar apriori medidas encaminadas a eliminar las verdaderas cau-sas de los problemas en lugar de comprometer la robustez

del proceso limitndose a compensar los errores posterior-mente en la perfiladora.

Introduccin a la deformacin del materialdurante el perfilado

Al igual que sucede con el plegado de chapa, el objetivodel perfilado es fabricar productos de seccin transversalconstante a lo largo de su longitud. No obstante, la mecni-ca de ambos procesos es muy diferente. En el plegado cadaradio se forma aplicando de forma instantnea y local unafuerza sobre el rea correspondiente de la chapa. Sin embar-go, en perfilado el conformado de cada arco es gradual y selleva a cabo a travs de un conjunto de estaciones de rodi-

llos, en cada una de las cuales se realiza una

operacin o etapa del conformado. As, esun proceso continuo y de alta productividad[2], en el cual la chapa avanza en direccinlongitudinal mientras est sometida a lastensiones de plegado cuando atraviesa cadaestacin (Figura 1).

El resultado de esta mecnica es que elestado tensional de la chapa durante el per-filado no es bidimensional, como s sucedeen el plegado en prensa, sino tridimensional.

A las deformaciones de doblado en elplano del perfil se unen las deformacioneslongitudinales, que actan en la direccinperpendicular a dicho plano. Estas ltimas

no contribuyen al conformado de la seccincomo tal, sino que son indeseadas y estndetrs de la mayor parte de los defectosy problemas que experimentan los produc-tos perfilados.

Un enfoque cientfico para el perfilado de chapa

Figura 1. Representacin esquemtica del proceso de perfilado de chapa

Figura 2. El diagrama de conformabilidad para el perfilado de COPRA FEA RF permite estimar el

riesgo de fractura de la chapa (arriba izquierda). La simulacin de elementos finitos permite predecir

el grado de recuperacin elstica de cada caso (arriba derecha). La estrategia de conformado elegida

puede favorecer el estrangulamiento de la chapa en perfilado (abajo)

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Adems, las deformaciones longitudinales no sloafectan a las lneas de plegado, sino a toda la seccin ensu conjunto.

De esta manera, los mecanismos de deformacin duran-te el perfilado estn ms prximos a los de procesos comola estampacin o el hidroconformado. El anlisis de estadeformacin no puede limitarse a las estimaciones experi-mentales de ancho de banda, recuperacin elstica o radiomnimo que se han realizado histricamente para el plega-do. El movimiento longitudinal de la chapa a lo largo de lasestaciones modifica por completo el comportamiento delmaterial y los valores que definen el comportamiento delplegado en prensa no sirven para el perfilado.

El anlisis sistemtico del proceso, basado en la defor-macin del material, debe realizarse con las mismas herra-mientas ya probadas para otros procesos de conformadotridimensionales.

Hoy en da, las simulaciones de elementos finitos son yauna ayuda indispensable durante el diseo de herramientasde perfilado para las organizaciones de referencia deNorteamrica, Europa y Asia. El software especfico paraeste proceso COPRA FEA RF es el actual estndar en laindustria para el anlisis del perfilado [3].

Defectologa bsicade los productos perfilados

La deformacin de la chapa duranteel perfilado tiene un carcter complejo y

un anlisis exhaustivo de las causas y carac-tersticas de cada uno de los posibles defec-tos de los productos requerira un examenespecfico.

No obstante, un estudio experto a partirde la estrategia de conformado y de la geo-metra de rodillos es capaz de determinar sipueden aparecer en cada caso y, si es nece-sario, ofrecer alternativas para reducirsu magnitud.

Los defectos debidos a la deformacintransversal son ampliamente conocidos enla industria, ya que se corresponden con losque afectan al plegado en prensa. No obs-

tante, su problemtica en el perfilado es sen-siblemente diferente (Figura 2):

- El agrietamiento y fractura del material es la conse-cuencia de una deformacin de plegado excesiva. Sucarcter gradual en perfilado hace que en la mayora deocasiones los radios mnimos admisibles sean muy infe-riores a los del doblado en prensa [4].

- En el plegado en prensa, despus del proceso tienelugar la recuperacin elstica de la deformacin trans-versal elstica. A pesar de ser el principal quebradero decabeza en los ajustes de este proceso, en perfilado noaparece salvo para materiales de alto lmite elstico oradios de plegado mucho ms elevados que el espesor.En estos casos el anlisis por elementos finitos puede

predecir su magnitud, lo que permite disear estacionesde sobreplegado adaptadas a cada caso antes de las pri-meras pruebas en mquina.

- Adelgazamiento de las lneas de plegado. La prdi-da de espesor en los radios del perfil afecta tanto al ple-gado como al perfilado. No obstante, en este ltimodepende ampliamente de la estrategia y rodillosy puede ser mucho ms crtico que en plegado. El estu-dio previo de los adelgazamientos puede evitar proble-mas de no aceptacin de los productos por parte de losclientes finales.

Figura 3. Distribucin de las deformaciones longitudinales a lo largo de la seccin de un perfil en

C. El color amarillo representa alta traccin y el azul, compresin (arriba). Fenmeno de arqueo en

el mismo producto motivado por dicha distribucin de elongaciones (abajo)

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En cuanto a los problemas ocasionados por ladeformacin longitudinal, son mucho ms habi-tuales y menos conocidos dentro de la industria:

- El arqueo, el curvado y el alabeo consisten,respectivamente, en la desviacin vertical, hori-zontal y giro del producto a lo largo de su lon-gitud. Se deben a la desigual distribucin de ladeformacin longitudinal a lo largo de la sec-cin transversal (Figura 5) y en mquina secorrigen mediante estaciones de enderezadoadicionales (cabezas de turco). No obstante, elanlisis mediante elementos finitos puedemodificar el trabajo realizado en cada etapapara minimizar as la deformacin longitudinalpermanente al final del proceso. De este modopueden eliminarse los engorrosos ajustes de losenderezadores.

- La ondulacin longitudinal constituye unaamenaza para la funcin esttica de los produc-tos perfilados y normalmente aparece en elborde o en el centro de los mismos. Su origenes el pandeo longitudinal y por tanto est rela-cionada con reas de fuerte compresin. Uno delos puntos clave a estudiar es la rigidez de lassecciones ante ese pandeo, lo cual debe tenerseen cuenta durante la fase de diseo de los pro-ductos. La realizacin de estudios de fabricabili-

dad en este sentido es una aplicacin habitual delanlisis cientfico del proceso, as como la eliminacindel defecto real a partir del estudio de las deformacionesdurante el mismo (Figura 5).

Por ltimo, la distorsin consiste en la apertura o el cie-rre de los extremos delantero y trasero de la pieza perfiladacon respecto de su comportamiento en la parte central. Sedebe principalmente a las tensiones de cortadura que inci-den sobre la chapa a la entrada de las sucesivas estaciones.Con las simulaciones de elementos finitos es posible estu-diar la influencia de cada estacin en las tensiones residua-les y analizar as qu modificaciones en los rodillos y laestrategia pueden mejorar este defecto (Figura 5).

Bibliografa[1] GUTIRREZ, M.. Preface. Editado por Labein-Tecnalia.

1st International Congress on Roll Forming (ROLLFORM09)Proceedings. Bilbao, 2009.

[2] HALMOS, G.T. Roll Forming Handbook. CRC Press, 2005.

[3] dataM Sheet Metal Solutions. www.datam.de.

[4] SAGSTRM E., WIKLUND D., GUSTAFSON H. The influen-ce of material properties on the geometry of a roll-formed hat

profile through investigation of four ultra high strength steels.

Editado por Labein-Tecnalia. 1st International Congress on RollForming (ROLLFORM09) Proceedings. Bilbao, 2009. 93-100.

NGRMAQ es una ingeniera especializada en el anlisis

de procesos de conformado. En el sector del perfilado reali-

za proyectos de diseo de herramientas, estudio y resolu-cin de problemas en utillajes ya existentes y anlisis

completos de procesos de fabricacin especficos. Adems,

es distribuidora para Espaa, Portugal y Colombia del soft-

ware CAD/CAM/CAE para perfilado COPRA, de data M

Sheet Metal Solutions, el estndar en su sector a nivel mun-

dial. De igual modo, realiza cursos de formacin tanto gene-

rales como especficos centrados en el enfoque cientfico del

perfilado de chapa tanto para empresas del sector como

para organizaciones perifricas al mismo.

Pablo Garca Chao,

Responsable tcnico y de proyectos de NGRMAQ

Tecnologa de chapa, barra y tubo

30 marzo

Figura 5. La fuerte distorsin que aparece en la parte trasera del perfil despusdel corte final (izquierda) se debe a la brusquedad de la entrada en algunas de

las estaciones de conformado (derecha, arriba). Modificaciones en la secuencia de

plegado de los arcos han permitido evitar este defecto (derecha, abajo)

Figura 4. El anlisis mediante elementos finitos puede detectar la presencia de

ondulacin durante el proceso (arriba) y comprobar su minimizacin tras tomar las

medidas pertinentes sobre las herramientas (abajo)

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