Aspectos tribológicos del perfilado de chapa

5/12/2018 Aspectos tribológicos del perfilado de chapa - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aspectos-tribologicos-del-perfilado-de-chapa 1/12



EDITORIAL

.,.

LA FABULA DELRETOYLARECOMPENSAAunque el tiempo parece que está un poco loco, al final se ha acabado imponiendo

la razón meteorológica, y las temperaturas han descendido, llueve y pronto

comenzarán las primeras heladas y nevadas. Nuestro mundo se empieza a vestir deNavidad.

Pero quizás por los acontecimientos económicos y financieros que nos rodean y

controlan nuestras vidas profesionales y personales no sentimos la misma ilusión queaños atrás.

En estas circunstancias seguro que muchos de nosotros nos ponemos a soñar

pensando en cómo sería nuestra vida, si durante un periodo determinado de tiempo,

tendríamos la capacidad total y absoluta de controlar todos los acontecimientos que

rodean nuestra existencia. Vamos, si podríamos ser Dios por un año, por ejemplo.

Este es la premisa que recogen Jaume Soler y Merce Conangla en su libro

"Aplícate el cuento", editado por Amat Editorial de lectura muy recomendable en esta

época del año.

En ella un campesino de la época en que Dios solía darse paseos por la tierra,

increpó a la suprema divinidad su total desconocimiento del arte de la agricultura. El

osado mortal se atrevió además a exhortarle a que le dejase a él tomar las decisiones

durante los siguientes doce meses. Dios aceptó la proposición, y durante un año el

campesino tuvo en sus manos el control de todos los acontecimientos relacionados

con su trabajo. Imaginaros, ese año no irrumpió el granizo, la lluvia caía cuando era

necesaria y el sol calentaba la cosecha cuando era preciso. El agricultor no podía salir

de su gozo, pero el resultado no fue lo que el presuponía ya que descubrió

sorprendido que los granos de su trigo, grandes y dorados, estaban todos vacíos.

Desconcertado preguntó a Dios el motivo de su desgracia. Este, desde su infinita

sabiduría, le respondió sin desafío no hay recompensa, sin tormentas, sin viento .. el

trigo no crece fértil y fuerte, se hace vago porque no tiene que luchar por su

supervivencia.Ya lo sabíamos: el desafío y el reto generan recompensa. Pero cuando el mercado

financiero, la situación de los sectores en los que se mueven nuestras empresas, los

clientes que aplazan su decisión de compra ... , a veces es bueno recordarlo. La

capacidad de imaginar e inventar del ser humano es infinita. Aprovechémosla porque

estamos ciertamente ante un reto que nos desafía a todos.

y ~ e4tc4~, el u¡~ 1~ ~ 'HHE (14~:

FELíz NAVIDAD Y PRÓSPERO AÑO NUEVO, QUE LOS REYES MAGOS OSTRAIGAN 365 TONELADAS DE ALEGRíA, ÉXITO Y BUENOS MOMENTOS(Administrar con tiento, tiene que durar todo un año)

IMHE 201111DICIEMBRE

Publica:

IZARa

MANUFACTURING TECHNOLOGY, S L

Editor:

A lber to Ortega Zabala

Director:

Sonla Ortega Taranco

Redacción, Producción, Administración,

Publicidad y Suscripciones:

CI Mazustegui, 21-3ª planta

48006-BILBAO (España)

Tfno.94 448 71 10· Fax 944162743

E-mail: [email protected] • www.izaro.com

Nuest ro equipo:

Germán Goros ti ola de LUCIO

comercial. [email protected]

Sonia Ortega

editor. [email protected]

David Martín

redaccion. [email protected]

Ana Casas

adml nistrac [email protected]

Alber to Ortega Taranco

prod ucción [email protected]

Ricardo Echepare


Lui s Norbert o López De Lacal le


David Esteban


Aitzol Lamikiz

redaccion [email protected]

Jose AntoniO Sánchez


Pedro J. Arrázolaredaccion. [email protected]

Diseño, Maquetación y Fotomecáni ca :

Izara Manufactu ring Technology, S L

Imprime:

A Grá ficas Munguía, S. L.

Periodicidad:

Mensual (excepto enero , j uli o y agosto)

ISSN: 0210-1777

Depósi to Legal : B I-490-74

Reservados todos los derechos de publicación. No

se autoriza la reproducción, publicación, distribu

ción o comunicación total o parcial, directa o indi

r ecta , medi ant e sis temas de dupl ica ción mecáni

ca, óptica, electrónica, fotocopia, grabación mag

nética, o por cualquier otro medio existente o futu

r o del conteni do de la r evi st a, si n auto ri za ci ón

expresa, previa y por escrito de nuestra editorial, ni

siquiera en el caso que se cite a IMHE como fuen

t e. Cual qui er ti po de rep roducci ón , por cual qui er

medio de una parte o la totalidad de esta publica

ci ón, s in auto ri za ci ón por e scr ito de la ed ito ri al

será perseguida de acuer do con la ley de propie

dad i nt ele ct ua l 22/87 de 11 de nOVi embre.

Pr oh ibi das l as adapta ci ones, a rr eg lo s o tr ansfo r

maci ones de cual qu ie r cl ase

Los conceptos y opiniones que se expresan en

cada t raba jo son de la exc lusi va responsab il idad

del auto r de lo s mi smos.

© Copyright 2011Izaro Manufacturing Technology, S. L.



Aspectos tribológiCOS

del perfilado de chapa•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Cuestiones relacionadas con la lubricación

y el arrastre que ejercen las etapas de rodillos matrices.................................................................. ,

El perfilado es uno de los procesos de fabricación más empleados en la transformación de

productos de chapa, resultando ideal en series elevadas de piezas largas y con sección

transversal constante. De hecho, mediante perfilado, se puede producir casi cualquier perfil

imaginable, siempre que sea constante a lo largo de la longitud de la pieza. No obstante, para

cada producto, se requiere el diseño y fabricación de un conjunto de rodillos específico, lo cual

encarece notablemente la inversión requerida. En el presente trabajo, se detallan distintosaspectos relacionados con la lubricación y con el arrastre que ejercen las etapas de rodillos

motrices del perfilado, mostrando su vital importancia no sólo para lograr el conformado [tema de

esfuerzos, conformabilidad, etc.), sino para posibilitar un producto con la calidad superficial

adecuada .

INTRODUCCION

EL PROCESO DE PERFILADO DE CHAPA

El perfilado es un proceso de fabricación por deforma

ción plástica que se aplica a chapa metálica (Figura 1). Sue

le definirse como el conformado del material según líneas de

plegado rectas, longitudinales y paralelas mediante herra

mientas (rodillos) que tienen por contorno la forma del perfil

que se quiere obtener, todo ello efectuado a temperatura

ambiente y sin modificar el espesor del material.

El conformado se produce de forma gradual en estacio

nes situadas de manera sucesiva, en cada una de las cuales

se realiza una pasada o etapa de conformado. Cada una de

estas estaciones está formada por dos ejes horizontales (eje

superior y eje inferior), a los que se acoplan los diferentes ro

dillos, que están diseñados de modo que la sección transversal del material se va acercando etapa a etapa a la del

perfil que se quiere obtener. En ocasiones, se añaden a los

ejes superior e inferior ejes auxiliares dispuestos en otras di

recciones, por ejemplo los laterales de las estaciones 4 y 5

de la Figura 1.

..... .· ."

PIEZA DE

CHAPA

RODil lOS DE

PERFILADO

te

'."

e···

i lII.mJI ~ :~ EJES :• LATERALES •l .~-..,............-..,..........-~---- •...•...•.....-

~.,..,......~~..•-.........--.-.--.---..-.-.-.-.-..-.--.--

.:Figura 1: Representación esquemática del proceso de perfilado



-'-. " ". 1,

~ti•Ii=·•!···

LÍNEAS DE

PLEGADO

1~-

""

..•. '. "\'

/Lw

~

..............................................................

¡

il'~••tt~u:•

Figura 2: Marcas superficiales en dirección longitudinal en la superficie

crítica de un perfil en C obtenido mediante perfi lado

Figura 4. Diagrama de fuerzas de contacto obtenido a partir de una

simulación mediante elementos finitos del perfilado de una sección en Z

(Copra Rollform)

Figura 3: Medición con micrómetro del desgaste de un rodillo de

perfilado

Para moverse de estación a estación, la chapa va avan

zando en dirección longitudinal gracias al movimiento que

los propios rodillos le transmiten por fricción, ya que todos osólo algunos tienen su giro accionado a través del eje enque van montados. La principal ventaja del proceso es suelevada productividad, al ser las velocidades típicas de

avance de la chapa de 60, 80 m/min (1)' pudiéndose alcanzar hasta 180 m/min. El rango de espesores de chapa enque actualmente es aplicable el proceso abarca desde 0,1hasta 20 mm.

Esta rapidez hace que actualmente el perfilado sea unode los procesos de fabricación más empleados en la transformación de productos de chapa, resultando ideal en serieselevadas de piezas largas y con sección transversal constante. De hecho, mediante perfilado, se puede producir casicualquier perfil imaginable, siempre que sea constante a lolargo de la longitud de la pieza. No obstante, para cada producto, se requiere el diseño y fabricación de un conjunto derodillos específico, lo cual encarece notablemente la inversión requerida. Además, la puesta a punto de toda la líneaes compleja y puede consumir días o semanas, afectando elproblema tanto al diseño de cada rodillo, como a los ajustes

de la perfiladora, como a las distancias entre ejes o a la alineación transversal de las diferentes estaciones. En el pre

sente trabajo, se detallan distintos aspectos relacionadoscon la lubricación y con el arrastre que ejercen las etapas derodillos motrices del perfilado, mostrando su vital importancia no sólo para lograr el conformado (tema de esfuerzos,conformabilidad, etc), sino para posibilitar un producto conla calidad superficial adecuada.

PROBLEMASASOCIADOS

A LA TRIBOLOGIA EN ELPERFILADO

El contacto entre chapa y herramientas es uno de losprincipales problemas a que se enfrentan los fabricantesque utilizan el perfilado como proceso de transformación. Elmovimiento relativo entre ambos produce efectos indeseados el desgaste genera la aparición de marcas superficialessobre la chapa (Figura 2) y el deterioro de las herramientas(Figura 3), mientras que la fricción aumenta el consumo de lamáquina perfiladora.

Juzgar la apariencia superficial de un producto es subjetivo. En este sentido, el fabricante de la pieza perfilada y sucliente deben establecer de forma clara qué magnitud de

marcas se considera aceptable dentro del producto. Paraello, es útil el empleo de patrones o muestras de lo que seconsidera admisible e inadmisible. El nivel de aceptabilidaddepende principalmente de los requerimientos estéticos delproducto, puesto que el rayado superficial no afecta al comportamiento de la pieza en servicio. Además, debe tenerseen cuenta que la importancia de este defecto puede no serla misma en todas las caras. Por ejemplo, en el perfil en Cde la Figura 2, sólo existe una superficie crítica, la lateral exterior, que será la única visible durante la vida útil de la pieza.

El desgaste de los rodillos suele controlarse a través deun programa de revisión periódico mediante galgas de es

pesor o micrómetro (Figura 3). Cuando supera el valor considerado como excesivo, las herramientas son remecaniza

das. Este desgaste crítico es fijado por el fabricante deacuerdo con su experiencia, basándose en garantizar quese sigan cumpliendo las especificaciones del producto. Suele ser superior en las zonas de los rodillos correspondientesa las líneas de plegado de la chapa, ya que es ahí donde la



presión de contacto es más fuerte (Figura 4). No obstante, el

número de veces que un rodillo puede ser remecanizado es

reducido y, cuando se alcanza, debe desecharse. De estemodo, el coste de herramental es uno de los principales cos

tes de operación que afectan al perfilado.

Finalmente, la fricción genera una pérdida de potencia

que aumenta el consumo del proceso. El coeficiente de ro

zamiento del perfilado sin lubricación es aproximadamente

0,4 (4)' Además, la energia disipada por fricción en forma decalor provoca el aumento de temperatura en el contacto, que

es indeseado porque, aunque no llega a modificar la micro

estructura de los materiales, si puede producir daños super

ficiales tanto en la chapa como en los rodillos (5)' Además,los gradientes térmicos, si son fuertes, pueden producir en

combinación con la abrasión el inicio de grietas en los mis

mos, ya que la superficie endurecida del acero para herra

mientas es frágil (6) Estas grietas pueden llevar a la fracturadel rodillo.

CARACTERISTICAS TRIBOLOGICAS

DELCONTACTO CHAPA-RODILLOS

PRESION y VELOCIDAD RELATIVA

La fricción y el desgaste se producen cuando existe mo

vimiento relativo entre dos superficies en contacto entre las

que actúa un determinado esfuerzo normal. Como se ha vis

to en el apartado anterior, durante el perfilado, los rodillos

arrastran la chapa para que avance a la vez que la van deformando plásticamente para imprimirle la geometría trans

versal del perfil que se desea fabricar. De este modo, por un

lado, existe siempre una diferencia de velocidad entre las

herramientas y el material y, por otro, una carga normal entre

ambos (presión), que se corresponde con la componente

correspondiente de las fuerzas de conformado. Evidente

mente, el tipo de movimiento relativo existente entre chapa y

rodillos es de deslizamiento.

En el perfilado, el contacto entre chapa y herramientas es

especialmente problemático, porque la velocidad tangencial

de la porción de la superficie de los rodillos que está en con

tacto con el material no es la misma en todos sus puntos. Sin

embargo, todos los puntos de la chapa sí se desplazan conla misma velocidad, ya que, de lo contrario, el material no

permanecería unido a sí mismo. La distribución de velocida

des tangenciales en el contorno de los rodillos sigue la

Ecuación 1. De este modo, la velocidad v de un punto cual

quiera de la superficie de las herramientas es directamente

proporcional al radio D/2 a que se encuentra de su eje, sien

do la de rotación w del mismo la constante de proporcionalidad.

En la Figura 5, se representa la distribución de velocida

des tangenciales a lo largo del contorno de un rodillo inferior

que está conformando un perfil en C. Las herramientas

transmiten la potencia de arrastre a la chapa a través del tra

mo horizontal (base) de la sección. Por ello, para que el ma-

...................................................... ~ .• t

Dw= w

2.· ..-.-.-.-.-.-.-.-.-. - -.-.-. -.-.-.-.-.-.- ...,.,..-.-.-.-r.- ....-.-...•-.-.-.-.-.-.- ...•...--..-.-.- -...•..•.-...•-.-.-..

Ecuación 1

· .,• 11 t

· t

~ ~-.-------- - --v-;·W-~TD/2) t: wsup In v _ = W -(O _ /2):: max Inf max ~,

!/

= ÚJ" (O, /2) :·W •

: '~f :· .: :..•• •· ..~ :•~ :••L.-.-....•..•.,.',.~_-._•• -.'._._.'_• ...,..,....••• -.-F""'-.~•• __,.-•...••-.-.-.-.'-.-.-.-..,..',."••• -",.-""e •• ' e• .•• •• ••. • _ • ••

Figura 5: Triángulo de velocidades tangenciales a lo largo del contorno

de un rodillo inferior de perfilado (Copra Rollform)

..............................................................

~ r.-......_ •. fa e•••• "'''' -_,,)...,. .•, al" "'\''''''''_'':'''_'',) ~ .".,-H .·- -.~.-.. -.~.-.-.-.~.-.-.- -.~.~.-.-. -.~.-.-.-.- ~ -. . •. -....-.-.- -.-.-.-.- -.-.~.Ecuación 2

Figura 6: Diagrama de fuerzas de contacto obtenido a partir de una

simulación mediante elementos finitos de la estación de perfilado de la

Figura 5 (Copra Rollform)

· .·• A1tmb-~1iII ~Q~-tl.,..eam=)Ilw._~· o}''JP(~N-.~-D~) =w,. ..i •· .- -.-.- '._.-.-.~ _.~ _._._ ...,.- _._.-.-.- _.?.-.-.-. _._._._.-.~._ . .",....,.~._ c".-._.......•

Ecuación 3

terial avance correctamente, la altura a la que se dispone el

perfil en la estación se calcula de manera que las velocida

des tangenciales de los contornos de los rodillos superior einferior coincidan en la base. Esta velocidad se denomina

motriz (vmot) y se corresponde con la de avance de la chapa

entre las diferentes estaciones. Por el contrario, aplicando la

Ecuación 1, se observa que la velocidad de los puntos del

contorno de los rodillos inferiores que están en contacto con

el perfil aumenta linealmente desde un valor mínimo que es



Figura 7: Triángulo de velocidades tangenciales a lo largo del contorno

de un rodillo superior típico de perfilado (Copra Rollform)

MaterialRa h!m)

Acero laminado en caliente

2-8

Acero laminado en frío0,4-2

Figura 9: Compatibilidad del material de 105 rodi llos de perfilado (acero )

con el de 105 recubrimientos metálicos más típicos en la chapa de

partida (zinc y a luminio )

Tabla 2: Valores típicos de rugosidad media de la chapa de acero

laminada empleada como material de partida en perfilado (17)

II~

~

~~

~"~"

é

• 00$ fas.es liquida.•• :•

Un.lo" "oud.~lu~'' '''1 lM eSl-adosol;d() ¡¡billO (S6 0 .1% Cot np{l t>bi li dod

cOl=enlO:pcIJ

Q SoIubilid3d 00 csc3<lo sóltdo ko la1110. ,,,,,¡o:ónl!nlfe 1 ., Q.1~ de ¡jes~8$¡e

O Solub tl idad ene$13do=>ól ido en ó!UR)cnltl;1mb<¡de 1~

O M¡)tafesi(l~ti(;os

L:-:::-.-n-.~ r~r.'~r.-n T.-n-.-n-.-.-.-.-rr.'rr.-rr.'., -.-.-.-. -.-.-.-.-n.l

~~

~

~

l~,~t

2 :(0W

Vmín = W sup '(OmíJ2)

v = Wsup·(D/2)

o

Material Dureza Brinell (HB)

ro

100-25050-2505-1305-95

.

.

l I J l I•,....-.-• -.-.~•• _ .~.-rr.-"-"'-.'''-~~'''-;."-.'-''.-''.-;·.T•••• ~••• -.-•...•...,..-...•r •...•...••...F.;-·e;;.;.'-.·;_·.~.·.·_.~•

·

¡w~---------Rf: sup

·

:WI~f• -1 _._._._._._,_ .••.•••.· .. -.. -..•... -.-.-.-.-.-.- .•....-.-·

Tabla 1: Valores típicos de dureza Brinell de 105 materiales que más

frecuentemente se procesan por perfilado (espesor = '/2') (7)

Figura 8: Agrietamiento de un recubrimiento galvanizado debido a su

adhesión a 105 rodil los de perfi lado (1)

precisamente Vmothasta un máximo, vmáx'

Teniendo en cuenta la explicación anterior, en cada punto

del perfil habrá un gradiente de velocidad ¿Jvinfentre el ma

terial y las herramientas inferiores, que será tanto mayor

cuanto más alejado esté dicho punto de la base. El gradiente es nulo en la base del perfil, ya que, como se ha mencio

nado, la velocidad del contorno es ahí la de avance del ma

terial. En la zona a mayor altura, el gradiente entre la chapa y

Tabla 3: Composición química del acero para herramientas AISI D2,

expresada en % en peso (9)

..............................................................

: - Figura 10: Rodillos de perfilado fabricados l•...n acero AISI D2. Dirección en que se deben •pulir para evitar la microabrasión de la

chapa [

f~i~~t··

'~' ...

l ,. · :l ~l l-.......-."C._ -,-F.~.T~IIr ••.~."'.••.~,....•.•.•..•.•.••• w .•. _ •• _~.~~~.t.,~.~-_,-.,_~._c_-,- ..

la superficie del rodillo inferior alcanza su valor máximo,

¿Jvmáx-inf,cuya expresión puede deducirse según la Ecua

ción 2. En ella, el término Llvmáx-infserá tanto más elevado

cuanta mayor altura H tenga la sección.A modo de ejemplo, y utilizando el caso de la Figura 5, la

velocidad de avance del material es vmot = 10 m/min y la al

tura del perfil H = 140 mm. Para cumplir ambas condiciones,

IMHE 201111 DICIEMBRE



Rodamientos

·~¡¡

1•

i,..•.~...•.•..·,-ec-.'.'.,.T •• -. ;•'.'....., •.• '-.•. ,..,.,.,."'_.,- •.• '.,.,*'.'.'- •.,•;-.',.,.,.-,.", .•.•.,-• '.'., ., •.• ~.-.-.-•

.............................................................

·

···

I~

iti¡,~·¡·

Rodillos

laterales

-(i;;"c'o7)'-'-'-

Figura 11: Empleo de rodillos laterales locos para reducir las marcas

superficiales en el conformado de un perfil en e

•••••••••••••••••••••••••••••••• A •••••••••••••••••••••••••••••

• superficies dlb superficies

críticas para las críticas para las

marcas marcas

superficiales superficiales

• ' A __ ~ .~ ,

·

el eje gira a Winf = 17 rpm y el diámetro motriz es Dmot-inf=187,31 mm. Por tanto, aplicando la Ecuación 2, el término

Llvmáx-infvaldría 14,95 m/min. En cuanto a la componentenormal de las fuerzas de conformado, con una simulación

mediante elementos finitos realizada con el software comer

cial para perfilado Copra FEA RF, se ha comprobado que es

del orden de 20 N Y que no está aplicada donde el gradiente

es máximo, sino a 24 mm de la base (vector azul de la Figu

ra 6). El gradiente de velocidad ahí tiene un valor aproxima

do de LlvF-inf = 2,6 m/min

El desarrollo seguido puede aplicarse análogamente pa

ra el rodillo superior de la Figura 5 (Figura 7). En su caso, es

la chapa la que se desplaza más rápido que el contorno de

los rodillos El valor máximo del gradiente de velocidad entreambos (chapa y superficie del rodi llo superior), Llvmáx-sup,ie

ne el valor que se deduce en la Ecuación 3, similar a la

Ecuación 2, pero ahora aplicada al rodillo superior.

En nuestro ejemplo, la velocidad de rotación del eje su

perior es wsup = 3,67 rpm y el diámetro motriz mide Dmot-sup= 433,7 mm. Aplicando la Ecuación 3, Llvmáx-sup = 3,23

m/min En la Figura 6, se observa que ahora el contacto está

aplicado cerca de la zona más alta de la sección (flecha ro

ja), con lo que Llvmáx-sup" LlvF-sup.La carga normal es del orden de 60 N. Por tanto, el contacto con el rodillo superior en

este caso es más crítico desde el punto de vista de la pre

sión, pero menos exigente en cuanto a la velocidad relativa.

NATURALEZA Y ESTADO SUPERFICIAL

DE LOS MATERIALES INVOLUCRADOS

Mediante el proceso de perfilado, puede conformarse

chapa de cualquier metal dúctil, aunque en la industria los

Figura 12: Uti lización de rodi llos infer iores apoyados en rodamientos

para reducir las marcas superficiales en el conformado de un perfil en e

que más frecuentemente lo emplean son los aceros, los in

oxidables y las aleaciones de aluminio, muy especialmente

los primeros. Las marcas superficiales se producen por la

abrasión de los rodillos sobre la chapa. Por ello, los materia

les más problemáticos en este sentido serán los más blan

dos, como aleaciones de aluminio o cobre (Tabla 1) A pesar

de que los aceros son poco sensibles al rayado superficial,

los que son inoxidables deben perfilarse con cuidado para

no dañar su elevado brillo (1)

Además, en muchas ocasiones la chapa de partida para

el perfilado lleva recubrimiento previo, pudiendo distinguirse

dos tipos:

Recubrimientos metálicos, siendo los más habituales zinc

(galvanizado) y aluminio En estos casos, el principal pro

blema ante gradientes de velocidad es la adhesión del

revestimiento a los rodil los y su consiguiente agrietamien

to (Figura 8), que puede acelerar la corrosión del acero.

Además, la eliminación del zinc adherido es una tarea

engorrosa e incluso peligrosa. El desgaste adhesivo se

produce sobre todo cuando los dos materiales en con

tacto tienen temperaturas de fusión similares, es decir,

con alta compatibilidad (Figura 9). En estos casos, como

consecuencia de la presión y del calor disipado en el

contacto, se producen microsoldaduras entre las respec

tivas asperezas superficiales que, al existir movimiento

relativo, se rompen por la unión más débil, en este caso

la existente entre la chapa y el revestimiento. En la Figura

9, se observa que el aluminio y el zinc son altamente

IMHE 2011 "'- DICIEMBRE



____~mín2- -:: - - - - mot

~

1

RODillOS SUPERIORES

RODillOS INFERIORES

Vm:m?t~~~~~~-

................................................................................................................................

. SUPERFICIE ~CRíTICA PARA llAS MARCAS

SUPERFICIALES

3... -...•......•...-...•...•..r.~~..,.._;".,-.·;-.·-•.,..·;-.·--.~.-.-.-.-.-....•-.-.-.-._'.'._,.,._--.-.-.-.-•..--.-.-.-.-.-.-.-.--;.-....~._"."'.-_".~.~---._-.-.--.-.-.---.-.--.---.--.----.--.--.-;.."",.'.;.,.;-.-;..·.;-._.""-.7.~.__ .-.-•••

Figura 13: Cambio en la orientación del perfil en la máquina para reducir el gradiente de velocidad en la superf icie crítica

compatibles con el material del rodillo (acero), lo que ex

plica la adhesión.

Recubrimientos no metálicos, sobre todo pinturas. En es

tos casos, el inconveniente suele ser la abrasión del re

vestimiento. El motivo es que las pinturas son relativa

mente blandas en comparación con el acero de las he

rramientas. El rayado puede verse agravado si se usan

los mismos rodillos para conformar chapa pintada y gal

van izada, debido a las formas irregulares del zinc adheri

do a su contorno.

la abrasión sobre la chapa. Para evitarlo, es necesario que la

superficie de los rodillos que va a estar en contacto con el

material tenga un acabado superficial muy bueno. Así, el últi

mo paso de su fabricación suele ser una operación de puli

do, que se debe efectuar en dirección de avance del mate

rial para evitar que durante el perfilado se produzcan micro

abrasiones sobre la chapa (Figura 10). El acabado superfi

cial suele especificarse a través del parámetro normalizado

rugosidad media, siendo valores típicos del mismo para los

rodillos Ra = 0,02-0,05 IJm (8)

Por otro lado, el material más habitualmente usado en los

rodillos de perfilado es el acero para herramientas AISI 02

(Figura 10), ya que otros del mismo tipo como el AISI 01,

que se usaba anteriormente por su mejor maquinabilidad,

pueden llegar a desgastarse hasta niveles inaceptables en

menos de 100 horas de uso, debido a la naturaleza abrasiva

del óxido de hierro presente en la chapa de acero laminada

(1) El material laminado en caliente es a este respecto máscrítico que el laminado en frío, pues presenta peor acabado

superficial (Tabla 2).

El acero 02 (OIN 1.2379 o UNE-EN X153CrMoV12) redu

ce la abrasión de las herramientas por tener gran resistencia

al desgaste. Esta propiedad proviene en su caso de la combinación de dos factores:

Una dureza elevada. Para los rodillos de perfilado se re

comienda que sea de 60-62 HRC O. Se alcanza mediante

un tratamiento térmico de bonificado, que consiste en un

temple seguido de dos revenidos. Así, se logra un equili

brio entre dureza y tenacidad, propiedad que es necesa

ria porque la chapa somete los rodillos a continuos im

pactos durante el proceso.

Un alto contenido en carburos metálicos, en torno a un

15-20% (8). Esta elevada proporción se debe a la composición química de la aleación (Tabla 3), abundante tanto

en elementos formad ores de carburos metálicos (cromo,molibdeno y vanadio) como en carbono.

La elevada dureza de las herramientas puede acentuar

ACCIONES DE MEJORA DE LA EFICIENCIA

TRIBOLOGICA DELCONTACTO

MODIFICACIONES EN ELDISEÑO DELPROCESO

En muchas ocasiones, realizar cambios en el diseño de

las estaciones de perfilado es suficiente para evitar el raya

do de la chapa, minimizar el desgaste de los rodillos y redu

cir el consumo de potencia de la máquina. Por ejemplo, el

empleo de un mayor número de etapas de conformado sue

le ser efectivo, ya que disminuye la carga normal que ejer

cen los rodillos sobre el material en cada una. Sin embargo,

esta solución incrementa la inversión en máquina y herra

mientas en proporciones muchas veces inasumibles A con

tinuación, se detallan algunos ejemplos de alternativas con

un coste inferior que pueden ser igualmente eficaces. En lu

gar de reducir la presión, se centran en evitar el diferencialde velocidad.

La más extendida es la utilización de rodillos no acciona

dos en las zonas críticas de contacto con el material. Al no

ser matrices, es la chapa la que los arrastra, evitándose así

el diferencial de velocidad y, con él, la posibilidad de marcar

la pieza. En estos casos, los rodillos locos se introducen sólo

en las estaciones en que la sección obtenida es de altura

considerable, ya que aumentan el coste y, como se vio en

las Ecuaciones 2 y 3, el diferencial de velocidad es directa

mente proporcional a dicha dimensión. Estas pasadas normalmente serán sólo las últimas, por ejemplo, en el caso de

la Figura 1, sólo la 4 y 5.

Como se comentó en el apartado "Problemas asociados

IMHE 201111 DICIEMBRE



Figura 14: Defectos típicos en las piezas de perfi lado relacionados conlas deformaciones longitudinales inducidas durante el proceso

El mecanismo de lubricación ideal es el hidrodinámica,

ya que elimina casi por completo el desgaste y reduce lafricción a coeficientes de rozamiento del orden de 0,001-0,2.

No obstante, en perfilado, es imposible de alcanzar salvo en

zonas aisladas (4)

Disminuye la abrasión que produce tanto el desgaste delos rodillos como el rayado de la chapa.Permite eliminar la adhesión de los recubrimientos metáli

cos a las herramientas, ya que dificulta la aparición demicrosoldaduras al establecer una película en la intercara y/o mermar su resistencia.Reduce la fricción y disipa gran parte del calor generadopor el rozamiento La chapa prepintada puede conformarse en ocasiones incluso sin lubricante, ya que tienede por sí excelente lubricidad.Ayuda a evacuar las partículas desprendidas por el desgaste, que pueden producir erosión sobre las superficiesinvolucradas en el proceso.Además, puede incrementar la resistencia a la corrosióndel producto perfilado.

Figura 15: Lubricación del contacto chapa-rodillos en el proceso deperfilado

EMPLEO DE LUBRtCANTES

La lubricación del contacto entre el material y los rodilloses beneficiosa desde el punto de vista de todos los problemas vistos anteriormente y se utiliza en la mayoría de los casos (Figura 15)

cos de las piezas perfiladas (Figura 14) y la solución paraminimizarlas es utilizar más estaciones para producir el mis

mo perfil.

......................................................•.....•

L--ISTORSION

(1UlR~

DEFEGOS DE REGITUD

TORSIÓN

(l1MSl)

ONDUIAOÓN EN LOS BORDES(edge waving)

a la tribología en el perfilado", las superficies críticas del perfil en C son las laterales exteriores. Por tanto, para evitar queen ellas se produzcan marcas, se pueden sustituir los rodillos inferiores que contactan con ellas y en los que se producía el gradiente de velocidad (Figura 5) por rodillos laterales(Figura 11). De este modo, al ir montados en ejes separados,estos últimos pueden ser locos al mismo tiempo que los queestán en contacto con la base siguen teniendo accionamiento, lo cual, como se ha mencionado, es necesario para el

avance longitudinal de la chapa. Mientras que, con la configuración de la Figura 5, todos los ejes estaban accionados,en la de la Figura 11 sólo son matrices el inferior y el superior, girando los laterales a la winduclda que la chapa les imprime por fricción.

Si se quisiera evitar el problema del rayado también en lasuperficie superior de la sección (Figura 7), podría optarse

por desconectar el eje de arriba. Así, wsup pasa a ser también inducida. Esto hace que la fuerza de arrastre sobre lachapa se reduzca a la mitad en la estación en que se aplicaesta medida. No obstante, el empuje de las primeras etapassuele ser suficiente para que el material no se detenga. En laindustria del perfilado, se acepta como regla no desconectar

ningún eje inferior, aunque sea sólo en las últimas pasadas.Una tercera forma de conseguir que sea el material quienmueva los rodillos problemáticos es permitir su giro libre sobre el eje apoyándolos en rodamientos. Así, el que transmitela potencia de arrastre puede seguir accionado (Figura 12).

En otras ocasiones, puede ser conveniente modificar laorientación del perfil dentro de la máquina. Por ejemplo, lapieza de la Figura 13 se obtiene tradicionalmente en posición horizontal. Sin embargo, el gradiente de velocidad en lasuperficie crítica es menor si se gira 90° ya que vmot nocambia de valor, pero vmín2 > vmín1. No obstante, aumenta laaltura de la sección en máquina (H2 > H1), lo que tiene comoconsecuencia el incremento del coste de la solución. Con la

altura, además de aumentar el coste por precisarse un ma

yor diámetro de rodillos, también lo hace por incrementarsela magnitud de las deformaciones longitudinales generadasdurante el proceso. Las deformaciones longitudinales residuales están relacionadas con algunos de los defectos típi-

;/"/./ 'r / 1

:l</í I {.-oESALlNEACIÓN

: HORIZONTAL

(CAI'RER)

....................•.........................................

t

if~~

i•·~•~

___________________________ IM_H_E_2_0_1--'1II..._I_C_IE_M_B_R_E _



MaterialDureza RockwellDureza Rockwell BDureza Rockwell C (HRC)(HRR) (HRB)

WCI151

76-78

CPM 10V 1161

59-64

AISI D2 191

54-65

AMPC0®18 1131

91-94

Nvlon 66 1121

110-120

Uretano 1121

50-90

Aceites minerales

Macroemulsiones

Microemulsiones

Aceites sintéticos

Lubricantes evaporativos.

Tabla 5: Valores típicos de dureza de 105 materiales más usados para 105

rodillos de perfilado

Figura 18: Carburos metálicos distribuidos en líneas (izquierda) y de

forma globular (derecha) (8)

1,

1,

~:¡::'--------------- -t

J,.,.-_'*'.- •• '*"'-'.,"'''' ..-."'.;•:,.-~.,-._-..~,.:._.,.'-•• ,.•.-.,..-;·.·,-."."·_'.T~--:."~.".-.-".'".-,.:_"',•"."..,.".".,.".,~T~T."-.

La lubricación límite se consigue añadiendo aditivos específicos al lubricante.

La elección del lubricante es un proceso crítico, ya que

uno inadecuado puede no cumplir su función adecuada

mente e incluso corroer la chapa. Por ello, cada caso con

creto debe estudiarse por separado, puesto que en la selec

ción influyen factores como la naturaleza y estado superficial

de los materiales, las condiciones de conformado, la productividad necesaria o cuestiones medioambientales relaciona

das con su eliminación. Los tipos más empleados en la in

dustria del perfilado son los siguientes (4)

t!¡~,

'\:/INSERTO DE

C:.~,RBURO DE INSERTO DE CARBURO DE

WOLFRAMIO WOLFRAMIO

Al Feutros,5%alance0,5%

··

~ ~ :¡t.~._.,..~.".".Te7."'~.,..~."..,..t_"•.,..~•.,..Te7_~.~~"'.~~.~."'._,,~~.r; •.,..,.

Figura 17: Insertos de carburo de wolframio para reducir el desgaste en

rodillos de perfilado (11)

Tabla 4: Composición química nominal de la aleación AMPCO 18 (13)

.............................................................•

:-30nFigura 16: Comparativa entre la produc- ~i·25 n" tividad a lo largo de toda su vida útil de :

o 20 rodillos de perfilado fabricados en AISI .

(§ 02 Yen carburo de wolframio (11)

i> 15 •

t 10::)oo'"

• Q..

~ 02 we ••• ,..,•.,.··,.-'-.--,.~.,.".-'.'.-'-.--,.·_,·.'.'."'.,..,r.~."'.!.,.·".t'e·,.~.:.'.,·.-".~~'.r.·".--".~.7~.·~.7.t 'e ,. .,~. '! •• t 'e .,~••

•••

•••

Por ello, se opta por el de untuosidad, que consiste en la

adhesión física de una fina capa de lubricante a las superfi

cies en contacto. En este caso, el desgaste y la fricción de

penden de la tasa de creación-destrucción de la película,

que será superior cuanto más fuerte sea la unión. El coeficiente de rozamiento en el perfilado lubricado es habitual

mente de 0,1-0,3 (4).

En ocasiones, también es importante el mecanismo de

nominado lubricación límite o de extrema presión, que produce la creación de sales en la intercara mediante reaccio

nes químicas. Estas sales reducen la resistencia de las mi

crosoldaduras y además se rompen fácilmente, con lo que

disminuyen tanto el desgaste por adhesión como la fricción.

El contacto entre chapa y herramientas es uno

de los principales problemas a que se

enfrentan los fabricantes que utilizan el

perfilado como proceso de transformación

MATERIALES ALTERNATIVOS PARA LAS HERRAMIENTAS

Para obtener productos libres de marcas y herramientas

con un desgaste razonable, su material debe elegirse de

acuerdo con la naturaleza y el estado superficial de la chapa

a perfilar. Sin embargo, en la industria habitualmente se opta

por el más común, que, como se ha explicado en el aparta

do "Naturaleza y estado superficial de los materiales involu

crados", es el acero AISI 02, sin reparar en las ventajas que

podría reportar el empleo de uno alternativo. Algunos los

que están siendo empleados actualmente para fabricar rodi

llos 'de perfilado son los siguientes (Figura 19 y Tabla 5)

Carburo de wolframio (WC) Su ventaja es la reducción

del coste que suponen las herramientas si las series del

producto son largas. A pesar de que los rodillos tienen

un coste inicial aproximadamente cuatro veces superior,

tardan en torno a diez veces más en desgastarse que el

02 debido a su elevada dureza. Además, es un material

insoldable, lo que elimina la posibilidad de adhesión de

los recubrimientos metálicos y, como su coeficiente defricción con los metales es menor que el del acero, pro

duce menos abrasión en la chapa perfilada (10). Si los rodillos son grandes, pueden usarse insertos de este mate-

IMHE 2011 11DICIEMBRE



................................................................................................................................

CARBURO DE WOLFRAMIO AMPCO@18

URETANO

Figura 19: Rodillos de perfilado fabricados en

mater ia les alternativos al acero AISI D2 (12)

••••••••••••

••

El perfilado es un proceso de fabricación por

deformación plástica que se aplica a chapa

metálica; suele definirse como el conformado

del material según líneas de plegado rectas,

longitudinales y paralelas mediante

herramientas (rodillos) que tienen por contorno

la forma del perfil que se quiere obtener, todo

ello efectuado a temperatura ambiente y sin

modificar el espesor del material

rial en herramientas de acero para mantener la reducción

de costes. Como ejemplo, la compañía Ameristar Fence

Products afirma que en una de sus líneas de producción

este material ahorra 13 sustituciones de juegos de rodi

llos de 02 (11)

Aleaciones bronce-aluminio, especialmente las del grupo

AMPCO (13). Se usan cuando el marcado de la chapa esmuy crítico, por ejemplo para conformar aluminio o inoxi

dable, ya que son relativamente blandas y tienen muy

buena calidad superficial. Además, tienen gran resisten

cia al desgaste en comparación con su dureza. La más

recomendable es el AMPCO 18 (Tabla 4), ya que las de

número inferior tienen una resistencia al desgaste dema

siado baja y las superiores son más difíciles de mecani

zar (1)Plásticos que, como el nylon y, sobre todo, el uretano,

tengan altas resistencias al desgaste. Son el último recur

so cuando las marcas son inaceptables (12)' especialmente en chapa de aluminio muy blando e inoxidable. No

obstante, tienen el inconveniente de ser dañados fácil

mente por los impactos de la chapa (1)

Aceros sinterizados, como los CPM 1av y 15V, cuyo ele

vado contenido en vanadio les confiere alta resistencia al

desgaste (16) Su origen pulvimetalúrgico proporciona asu microestructura mayor homogeneidad, lo que reduce

la abrasión sobre los rodillos. Además, la distribución

globular de los carburos metálicos, frente a la lineal de

los aceros convencionales, les proporciona mayor resis

tencia al desgaste (Figura 18) (8). Como consecuencia,

pueden durar de dos a tres veces más en algunas aplicaciones.

CONCLUSIONES

Ha quedado claro que la tribologia es uno de los asuntos

clave a tener en cuenta para que el proceso de perfilado sea

económico, medioambientalmente amigable y apto para pro

ductos con requerimientos estéticos. El desgaste abrasivo

genera costes muy relevantes al obligar a remecanizar y lue

go reemplazar los rodillos periódicamente, así como un raya

do superficial sobre la pieza que debe controlarse en multi

tud de aplicaciones. El desgaste adhesivo también ha de ser

tenido en cuenta especialmente en materiales como el acerogalvanizado o con otro recubrimiento metálico. Por su parte,

la fricción debe ser reducida al máximo para tener consu

mos de máquina contenidos y evitar problemas debidos al

___________________________ IM_H_E_2_0_1_1 ••• D_I_C_IE_M_B_R_E _



••

••••

El conformado se produce de forma gradual en

estaciones situadas de manera sucesiva, en

cada una de las cuales se realiza una pasada o

etapa de conformado

calentamiento de los materiales.

Para minimizar la magnitud de estas cuestiones, debenadoptarse soluciones de forma transversal en todo el ciclode desarrollo de la línea de perfilado

El diseño del proceso debe buscar la reducción, dentrode lo económicamente posible, de los gradientes de velocidad y de la presión entre las herramientas y la chapa.

La selección del material de los rodillos, bien sea realizada por el diseñador de la línea o por el fabricante que laopera, debe evitar el conservadurismo y razonar si elacero para herramientas es el material más adecuadopara cada caso. La investigación de nuevos materiales yla progresiva implementación de los mismos en la industria debería ser un objetivo del sector.El operador de la línea debe seleccionar el lubricante deforma justificada, acudiendo a expertos si es necesario,para evitar la aparición de problemas derivados de lapropia lubricación y minimizar efectivamente con ella losefectos de la fricción y del desgaste. Además, debe establecerse y llevarse a cabo un programa de manteni

miento periódico que controle el desgaste de los rodillosy la adecuada lubricación de los contactos.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido posible gracias a la colaboración deNoguera Maquinaria (NGRMAQ). Noguera Maquinaria esuna empresa especializada en la comercialización de software para la transformación de chapa y de servicios de ingeniería relacionados. Dentro de su porfolio de productos,cuenta con las aplicaciones Copra, siendo Centro de Competencia para España y Portugal de dicho software. El software Capra Roll Forming es una potente herramienta de diseño profesional de rodillos para perfilado en frío que posibilita reducir el coste de planificación, diseño e ingeniería ypermite configurar todo el proceso desde el diseño de la flor(etapas de conformado), diseño de rodillos y cálculos técnicos, hasta la simulación del proceso de conformado, gestiónde stock de los rodillos, fabricación por CNC y Control deCalidad.

BIBLIOGRAFíA

1. Halmos G. (2005). Roll Forming Handbook. Boca Ratón,Florida: Taylor & Francis Group

4. Ivaska, J. (1991). The three key segments of roll forminglubrication. SME Technical Report

5. Rueter, A. (2002). Examining roll forming machinery, tool ing and lubrication. The Fabricator, http//www.thefabri

cator. com/artic Ie/rollform ing/exam ining-rollform ing-mach inery-tool ing-and-I ubrication

6. Roll Kraft Inc. (2011). Indicators of roll form tooling failure. httpl/wwwroll-kraft.com/roll-forming-mills-roll-far-

ming-mach ines-roll-formi ng-presses-roll-formi ng- trai ningroll-form ing- tool ing/roll-form ing- tool ing/i ndicators-of -rollfai Iure-and-wel d-roll-desig n-eng ineering

7. Engineer's Handbook. (2011). Propiedades mecánicasde chapa de diferentes materiales. httpl/www.engineershand book. com/T ables/materials. htm

8. Hussmann C, Renzing M. (2009). Manufacturing of rollform tooling. Proceedings of the 1el International Congress on Roll Forming RollFORM 09, págs. 163-170. Bilbao Corporación Tecnológica Tecnalia

9. Uddeholm AB. (2010). AISI 02 Cold worked tool steel.http//wwwbucorp.com/aisi_d2_c.htm

10. Roll-Kraft Inc. (2010). Tungsten carbide rolls.httpl/wwwroll-kraft.com/roll-forming-mills-roll-farmingmac hines-rollform ing- presses-rollform ing-trai ning- rollformi ng- tool ing/roll-form ing-tool ing/rollform ing-tu ngsten

carbide-rolls11. Roll-Kraft Inc. (2010). Selecting the correct style of tooling to minimize production costs. httpl/www.rollk r a ft. c om/ as k - t h e-d octo r /tec h -t i Ps- t u b e- a - p i Pearti cles/tu be-an d-p ipe- too Iing/se Iecti ng-the-co rrect -styl eof-too Iin9-to-m inimize- prod uction-costs

12. Roll Kraft Inc. (2010). Roll form tooling materials.http://wwwroll-kraft.com/rol l-form ing-mi Ils-rol l- formi ngmac hines-rollform ing- presses-roll-form in9-trai ning- rollform ing- too Iing/rollform ing- too Iing/m ate rial s- used-forroll-form-tooling

13. AMPCO Metal. (2011). AMPCO 18. httpl/www.ampcometalcom/en/index.php?page=a 18ext

14. American Urethane, Inc. (2011). Urethane hardness.http//wwwamericanurethane.com/aboutu2.htm

15. Gordon England TSC Consultant. (2011) Estimatedhardness equivalents.http//wwwgordonengland.co.uk/hardness/ehe.htm

16. Windsor Steel Corporation. (2011). CPM-10V Tool Steel

Material Information. httpl/www.windsorsteel.com/grades/CPM-1 OV htm

17. Outokumpu. (2011). Surface finishes of rolled steel.http/ /www.outokumpu.com/About -stai nless/Steel-Properties/Surfaces/5876

Eduardo Cuesta, Pedro Fernández y Braulio ÁlvarezÁrea de Ingeniería de los Procesos de Fabricación

Universidad de Oviedo

Pablo García y Vicente CastroNoguera Maquinaria, distribuidor para España de Copra,

de data M Sheet Metal Solutions GmbH

Aspectos tribológicos del perfilado de chapa

Documents

Transcript of Aspectos tribológicos del perfilado de chapa