Estampado incremental de chapas. Variantes tecnológicas y parámetros críticos del proceso

Resumen:

La aplicación de los procesos de estampado incremental se presenta como una técnica innovadora en los procesos de conformación de materiales en todo el mundo desarrollándose distintas variantes tecnológicas del proceso. Entre ellos, el estampado incremental por punto simple (EIPS). En el trabajo se presentan los principales resultados investigativos en esta tecnología, haciendo énfasis en los factores tecnológicos que inciden sobre la calidad y el costo final de las piezas, destacándose entre otros, la geometría de la herramienta, la profundidad de estampado, la utilización de lubricantes, el ángulo de conformación, velocidad de conformación y el espesor de la chapa: Los resultados demuestran que esta es una tecnología que sustituye en muchos casos los tradicionales procesos de embutición de chapas con troqueles y se convierte en una alternativa para la elaboración de piezas por embutición.

Palabras claves: procesos de embutición, estampado Incremental de chapas

Abstracts

The application of incremental sheet metal forming processes is presented as an original technique in the material forming; theses processes are development in different technological variants. The main purpose of this work is to develop an overview about the principal technological factors at single point incremental sheet metal forming in this technology research, highlighting among others, the tool geometry, degree of deformation, lubricants, forming angle, forming speed and sheer metal thickness. The results show that this technology, in many cases, replacing the traditional sheet metal drawing processes with punch and dies and becomes a choice for manufacturing parts.

Keywords: drawing processes, incremental sheet metal forming

Introducción

El estampado incremental de chapas, (ISF, Incremental Sheet Forming, por sus siglas en inglés), es un proceso de conformación innovador, el cual es capaz de producir piezas de geometrías complejas, utilizando la tecnología por control numérico (CNC) ya ampliamente difundida en los procesos de manufactura de metales. Presenta como principales ventajas: a) bajos costos de preparación de la máquina herramienta, b) utilización de máquinas CNC de tres ejes comunes, c) gran flexibilidad, ya que nuevos productos se obtienen al cambiar solo el modelo de diseño (CAD – Computer Assisted Design) , permitiendo así la producción de pequeños lotes de piezas [8]

El proceso de se puede utilizar para conformar todo tipo de metales, siempre y cuando sean lo suficientemente dúctiles. Hasta el momento, se han realizado piezas en aluminio, cobre, acero, acero inoxidable y titanio, siendo también posible su aplicación en aleaciones especiales. Es aplicable potencialmente en cualquier sector: automoción, aeronáutica, bienes de equipo, arte, etc. [12]

Debido a la gran flexibilidad del estampado incremental de punto simple (SPIF- single point incremental forming), se toma como viable su aplicación a pequeños lotes de producción y así mismo, a lotes de piezas individuales, ya que el costo de herramientas utilizadas en el proceso es mucho menor que el normalmente utilizado en los procesos de estampado tradicional. Considerando que el estampado puede ser realizado con matriz bastante simplificada o sin matriz, con apenas una herramienta de conformación, el proceso se torna también viable para prototipados rápidos para materiales no metálicos y también para trabajos artísticos. [1]

Fig. 1: Estampado incremental de un punto o punto simple. [12]

2. Principales variantes tecnológicas del proceso de estampado incremental

Estampado incremental con múltiples puntos.

Estampado incremental con múltiples puntos o de punto doble, se denomina así debido a que tiene dos puntos de contacto entre la herramienta de conformado y la chapa.

En el estampado incremental por dos puntos la chapa es sujetada por el prensa-chapa el cual se fija en el eje Z. La herramienta de conformación es similar a la herramienta utilizada en el proceso de estampado incremental por punto simple y describe una trayectoria por la superficie externa de la pieza, desde la parte superior hasta la parte inferior de la geometría. Este proceso puede ser separado en dos categorías: con troquel parcial, ver (Fig. 2) y con troquel entero, ver (Fig. 3). [10]

Estampado incremental de dos puntos (partial die)

En este proceso el uso de un troquel parcial tiene la misma función que la placa de apoyo utilizada en el proceso de estampado incremental por punto simple, apoyando solamente áreas esenciales de la chapa y también mejorando su exactitud geométrica. Con geometrías no uniformes el mismo troquel parcial puede ser utilizado para obtener diferentes piezas con geometrías similares. [5, 6]

Fig. 2: Estampado incremental de dos puntos (partial die) [10]

Estampado incremental de dos puntos (full die)

Esta variante del proceso tiene la ventaja de la buena exactitud geométrica que se alcanzan en las piezas, porque la chapa durante la conformación es presionada por la herramienta y el troquel. [5, 6, 10, 11]

Fig. 3: Estampado incremental de dos puntos (partial die) [10]

Como desventaja el costo de este proceso es mayor debido a los costos asociados al

Material del troquel y su fabricación. Otra desventaja es la baja flexibilidad que presenta el proceso debido a la necesidad de troquel para cada pieza en específico. [10]

• 1. Parámetros tecnológicos en los procesos de estampado incremental

Como en cualquier proceso de fabricación, en el proceso de estampado incremental existen algunos parámetros y variantes inherentes al proceso como el paso vertical, el tamaño de la herramienta, el espesor se la chapa y la velocidad de avance de la herramienta, que de una forma u otra tienen gran influencia sobre la calidad y productividad óptima en la obtención de la pieza final. [12] Además de estos parámetros existen otros que influyen de manera significativa en el proceso, entre los que están las propiedades del material, el ángulo de conformado y la lubricación de la superficie de la chapa. Todos estos factores se relacionan a continuación. [4]

Lubricación.

Las investigaciones sobre la lubricación han sido limitadas en los procesos de estampado incremental por punto simple. Los estudios solo han llegado hasta como reducir la fricción entre la herramienta y la chapa a conformar y cómo influye en la calidad superficial del producto final. Además se ha demostrado que el tipo de lubricante no influye significativamente en las fuerzas de conformación, sino la utilización de lubricante o no. [4]

En algunos experimentos encontrados en la literatura se hace referencia a tres lubricantes tradicionales los cuales son: la vela del sebo, el sebo mezclado con aceite, y jabón mezclado con aceite. El lubricante de vela de sebo es directamente aplicado al material, mientras las otras dos mezclas deben prepararse de antemano. Estos lubricantes son de viscosidades diferentes, obteniéndose como resultado un aumento de la fuerza de conformación en dirección del avance de la herramienta con viscosidades mayores del lubricante. [3]

Ventajas que trae consigo una buena lubricación:

La lubricación es importante en la mayoría de los procesos de estampado, así como en el proceso de estampado incremental, todo esto garantiza: [2]

1. Reducir la fricción.

2. Reducir el calentamiento de la pieza y la herramienta.

3. Reducir al mínimo el desgaste de la herramienta de estampado.

4. Mejorar el acabado superficial de la pieza.

5. Establecer una reducción al mínimo de la fuerza de trabajo ejercida por la herramienta.

Fig. 4: Herramienta realizando una trayectoria de estampado, usando grasa como lubricante [9]

Tamaño de la herramienta.

Es conocido que el tamaño de la herramienta de conformar influye grandemente en la conformación de la chapa. Experimentos realizados por diferentes investigadores muestran que radios pequeños de la herramienta favorecen más la conformabilidad que el uso de grandes radios. Además las fuerzas de conformación se incrementan con el incremento del tamaño de la herramienta (diámetro) debido a que el área de contacto es mayor. Herramientas más pequeñas, sin embargo, presentan una alta concentración de la deformación en la zona conformada, obteniéndose grandes deformaciones favoreciendo la conformabilidad del material. La disminución de las fuerzas de conformado con herramientas de menor diámetro hace que las tensiones generadas en el proceso sean menores.

Otros factores que dependen del tamaño de la herramienta utilizada en el proceso de estampado incremental son la calidad superficial de la pieza fabricada y el tiempo de fabricación. Cuanto mayor sea el diámetro de la herramienta mejor será la calidad superficial de la pieza para un mismo valor de paso vertical, no obstante es importante destacar que este aumento del diámetro ocasiona una disminución de la conformabilidad del material. Sin embargo, una herramienta con un valor de diámetro muy elevado no puede copiar pequeños detalles de la pieza a fabricar. [9]

Se han realizado diversas investigaciones con herramientas de diferentes diámetros. La tabla 1 muestra ejemplos de diámetros de algunas herramientas utilizadas por diferentes investigadores para realizar el proceso de estampado.

Tabla 1: Diámetro de herramientas utilizadas. [9]

Incremento vertical.

La influencia de este parámetro en la conformabilidad es muy debatida. La mayoría de los investigadores sostienen que el incremento vertical no influye en la conformabilidad sino que afectan solamente la rugosidad superficial y el tiempo de conformación. Otros plantean que si presenta marcada influencia, donde un incremento del paso vertical disminuye la conformabilidad de la chapa.

Pequeños incrementos verticales favorecen el acabado superficial de la pieza conformada, pero se produce un significativo aumento en los tiempos de conformación. El aumento del incremento vertical reduce el tiempo de conformación, pero forma una superficie con una calidad superficial inferior. En investigaciones realizadas se observa que cada incremento del paso vertical de la herramienta deja una pequeña marca en la superficie de la pieza, la misma puede ser reducida con una disminución del paso vertical. También fueron realizados estudios en los cuales se efectuaron ensayos con valores de pasos verticales que varían desde 0.1 a 1.0 mm con herramientas de 5 a 15 mm de diámetro. Fue verificado que un aumento del paso vertical reduce la calidad superficial pero los valores de rugosidad superficial (Rz) medidos aumentan, esto puede ser visto en la (Fig. 5) que se muestra a continuación. [9]

Fig. 5: Influencia del valor del paso vertical en la calidad superficial de la pieza. [9]

Material de la chapa.

Es conocido que la propiedad de conformabilidad difiere entre los materiales y que está influenciada por las propiedades de cada material. Sobre esta propiedad influye también el coeficiente de endurecimiento n, así como su relación con el coeficiente de plasticidad K. Generalmente un alto coeficiente de endurecimiento conlleva a una alta conformabilidad del material. [4]

Ángulo de conformación.

El ángulo de la zona de la chapa que es conformada con la horizontal (plano x-y) es denominado ángulo de conformación. La amplitud de este ángulo depende principalmente de las propiedades del material y el espesor. En el proceso de estampado por punto simple el ángulo máximo de conformación es controlado en cada pasada de la herramienta para evitar una fractura en el material. Investigadores como Martins han intentado predecir este ángulo utilizando las propiedades del material y los parámetros de conformación mediante la siguiente ecuación.

Donde:

et – es la deformación en el espesor.

Esta ecuación puede ser evaluada utilizando el valor de deformación límite et en la dirección del espesor en el área de la fractura determinada en un ensayo de deformación plana o ensayo de tracción equi-biaxial. [4]

Velocidad de conformación.

La influencia de la velocidad de conformación (velocidad de rotación (rpm) y de traslación de la herramienta (mm/min)) ha originado muchas controversias en los trabajos de estampado incremental por punto simple. Un aspecto indiscutible es que la rotación de la herramienta y su velocidad de traslación influyen en la fricción y el calor generado debido al rozamiento entre la chapa y la herramienta. El movimiento relativo entre la herramienta y la chapa es directamente proporcional al calor que se origina por la fricción. Debido a esto es lógico pensar que existe un incremento de la conformabilidad con el aumento de la velocidad por el efecto del calor, y es importante tener en cuenta que un aumento de la velocidad puede generar resultados negativos. Entre estos pueden encontrarse altas rugosidades superficiales, mayor utilización de herramientas y problemas en la película de lubricante. Las rugosidades superficiales pueden ser más ásperas con el incremento de la velocidad así como la aparición de defectos superficiales como ondulaciones en la chapa. [4]

El aumento de la temperatura generado por la fricción origina que el lubricante utilizado para reducir la fricción sea inefectivo. Si el calentamiento aumenta con el aumento de la velocidad los lubricantes pueden calentarse hasta llegar a su temperatura de fusión. En ese momento comienzan a corromperse el lubricante y pierde su efectividad, dando como resultado un aumento del contacto metálico e incrementos drásticos de fricción.

Espesor de la chapa.

Así como en otros procesos de conformado (forja, estampado convencional), existen valores máximos de ángulos que definen ciertas regiones de la pieza de trabajo, a fin de que sea posible su fabricación. Si se supera este valor, se vuelve muy frecuente una rotura o en el mínimo de los casos, una disminución drástica del espesor de la chapa, causando una baja resistencia mecánica localizada. [12]

El ángulo máximo de estampado ? está determinado por la relación entre el espesor de la chapa y su ángulo de conformación ? definido en la figura 1.18, dado por la ecuación:

2.2

Donde:

es el espesor original de la chapa.

es el espesor final de la chapa en un determinado tiempo del proceso de conformación.

? – Es el ángulo de conformación de la chapa.

Un ejemplo de esto se puede observar en la figura que aparece a continuación. En la misma se muestra la sección de una pieza producida, a la cual se le realiza un análisis para determinar cómo se comporta el espesor de la chapa al ser conformada. El primer análisis se le realiza a la sección de la chapa que tiene un espesor inicial de presentando un valor medido de para un ángulo de inclinación y realizando el cálculo utilizando la ley de los senos se obtiene un espesor de chapa final En el segundo análisis se toma un valor de espesor inicial un valor medido de para un ángulo de inclinación y realizando los cálculos correspondientes se obtiene un valor de espesor final de Como se puede observar, a medida que aumenta el ángulo de inclinación disminuye el espesor final de la chapa, por lo tanto si se aumenta gradualmente el ángulo de inclinación podría llegar a aparecer una rotura en la chapa que se está conformando. [12]

Fig. 6: Demostración de la ley del seno [12]

Conclusiones

• 1. Entre los parámetros del proceso de estampado incremental por punto simple, la herramienta de conformar es la que presenta mayor influencia; su tamaño, forma, su velocidad, desplazamiento y el incremento vertical definen la conformabilidad acabado superficial, limitaciones geométricas y tiempo de conformado del producto final.

• 2. Una adecuada lubricación de la superficie de contacto entre la herramienta y la chapa depende del tipo material y la temperatura de trabajo, favoreciendo el acabado superficial de la pieza.

• 3. El EIPS es un proceso menos costoso para producciones de series cortas, principalmente por las herramientas utilizadas y la flexibilidad del mismo aunque presenta un mayor tiempo de conformado.

• 4. Referencias

• 1. Castelan, J. "Utilización de tecnologías CAD.CAM para el estampado incremental". (2007).

• 2. Daleffe, A. "Descrição do Processo de Estampagem Incremental e Dados Concretos Práticos do Process" Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul, (2007).

• 3. Hagan, E and J. Jeswiet. "A review of conventional and modern single-point sheet metal forming methods" Department of Mechanical Engineering, Queen"s University, Kingston, Ontario, Canada. (2003)

• 4. Hamilton, K. S.. "Friction and external surface roughness in single point incremental forming: A study of surface friction, contact area and the "orange peel" effect." Department of Mechanical and Materials Engineering. Queen?s University. Kingston, Ontario, Canada. (2010).

• 5. Jadhav S., "Basic Investigations of the Incremental Sheet Metal Forming Process on a CNC Milling Machine", Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Germany (2004)

• 6. Jeswiet J., "Incremental single point forming, Proceedings of NSF Design and Manufacturing" Research Conference (2000).

• 7. Matsubara S., "A computer numerically controlled dieless incremental forming of a sheet metal". Proceedings Institution of Mechanical Engineers, Vol 215 Part B, IMechE (2001).

• 8. Micari, F.; Ambrogio, G.; Filice, L. "Shape and dimensional accuracy in Single Point Incremental Forming: State of the art and future trends". Journal of Materials Processing Technology, (2007)

• 9. Moreau, J. D.; E. Ruiz. "Evolución Microestructural De Chapas Metálicas Bajo Procesos De Larga Deformación". Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Escuela Politécnica Universidad Carlos III de Madrid. (2009)

• 10. Padrão de Brito J. L. "Single Point Incremental Forming". Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica. (2009).

• 11. Tiburi F., Schaeffer L., "Aspectos Técnicos e Económicos da Estampagem Incremental". XXVII Senafor, X Conferencia Nacional de Conformação de Chapas, Brazil (2007).

• 12. Tiburi, F. "Aspectos do processo de estampagem incremental". Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul: Porto Alegre (2007).

Autor:

Luis E. Rodríguez-Sánchez

José R. Marty-Delgado

Alexis Alonso-Martínez

Yunier Valdez-Reinoso

Yudieski Bernal-Aguilar

Empresa Industrial de Instalaciones Fijas. Santa Clara. Villa Clara. 50300. Cuba.

Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas. Santa Clara. Villa Clara. 50300. Cuba.