MAQUINA DOBLADORA DE LMINASBarrera Flrez Oscar, Berrocal Snchez Luis, Durango Padilla ElasSnchez Mora Jader, Tapia Vertel Andrs, Torres Montes Mario

Ingeniera Mecnica, Universidad de Crdoba, Crdoba-Colombiaricardo_the_king@hotmail.esluisfe1092@hotmail.comjader1008@hotmail.comanfetave@gmail.commariotomo01@hotmail.comoscarito1712@hotmail.com

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.

INTRODUCCINLa humanidad est creciendo a un ritmo acelerado y con ella la necesidad de nuevas herramientas que permitan suplir la alta demanda de productos realizados con lminas metlicas, teniendo mayor fuerza en los sectores automotriz y de aviacin. Esta necesidad despierta en los ingenieros mecnicos un deseo de minimizar o solucionar mediante diseos tal necesidad.En el diseo de equipos de conformado de lminas metlicas son muchos los parmetros que intervienen, la geometra y las caractersticas mecnicas, tanto de los componentes de la mquina, como la pieza a trabajar son principales.Para deformar plsticamente la pieza de trabajo, esta se somete a esfuerzo cuya magnitud rebasa el lmite elstico del material, pero que es inferior a la resistencia a la rotura. Durante el conformado de lminas, el material se comporta respondiendo con un endurecimiento durante su deformacin. El grado de endurecimiento del material depender de las propiedades mecnicas iniciales, del tipo y velocidad de la deformacin y la temperatura.El establecimiento de valores ptimos 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 PROBLEMAAl interior de la universidad de crdoba est funcionando un programa de estudios universitarios bastante joven, dicho programa es ingeniera mecnica el cual est funcionando desde el ao 2008 en el segundo semestre.Debido al poco tiempo que tiene este programa de estar funcionando an no cuenta con todos los laboratorios, espacios fsicos, equipos y dems implementos necesarios para brindar la educacin integral que todos buscamos.Debido a esta situacin 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 diseo y construccin de una maquina dobladora de lminas para reforzar los conocimientos de los estudiantes en este campo y para realizar el aporte al programa con una mquina de esta clase.Son muchos los factores positivos que se desprenden de este proyecto y de no llevarse a cabo se estara viendo afectada la educacin integral de cada estudiante al no aprender todos los conocimientos tericos y tcnicos referentes al proceso de doblado de lminas, el cual es ampliamente utilizado para la creacin de muchos de los elementos utilizados por nosotros en la vida diaria (automviles, electrodomsticos, estructuras, entre otros)JUSTIFICACIONOBJETIVOSGeneralDisear y construir una maquina dobladora de lminas de fcil 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 operacin, cumpliendo con las necesidades actuales del programa de ingeniera mecnica de tener herramientas para el tratamiento de lminas metlicasEspecfico Determinar las dimensiones y materiales adecuados para la construccin 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 lminas a partir de un anlisis experimental de sus eficiencia. Estimar las condiciones mnimas de operacin de la maquina bajo un proceso de doblado

ANTECEDENTESLa utilizacin de productos derivados de procesos de conformado de lminas metlicas resalta en la actualidad, dado que se pueden encontrar en cualquier parte, desde un archivero hasta el fuselaje de un transbordador. El conformado de lminas data de 4000 aos a.C. a 5000 aos a.C. cuando se fabricaban utensilios domsticos y joyera en oro, plata y cobre. El formado por doblado es un proceso de movimiento alternante para doblar lminas de metal en frio en varios pasos y al final obtener un perfil deseado. (Kalpakjian, 2002)En Inglaterra la introduccin en 1784 de molinos de rolado por parte del empresario e inventor metalrgico ingles Henry Cort (1740-1800) sent las bases para el desarrollo de equipos de modelado y conformado de lminas metlicas. (Kalpakjian, 2002)

A principios del siglo XIX se desarrolla el concepto de doblado clamp-then-form, un proceso que describe una etapa inicial de sujecin luego del final de formado. Este mtodo toma gran acogida en numerosas maquinas proporcionndoles capacidad para efectuar una amplia gama de doblajes. Dadas las nuevas ideas desarrolladas, la revolucin alcanza a estos dispositivos convirtindolos en mquinas altamente verstiles capaces de realizar distintas configuraciones de tal tarea, apareciendo as con nuevas partes agregadas y mejoradas haciendo ms eficiente el conformado de producto al final del proceso. (Kalpakjian, 2002)En los aos 1926, son lanzadas al mercado las primeras mquinas dobladoras del fabricante Peddinghaus, comercializadas con gran xito. Luego este fabricante se asocia con STEMA, formando STEMA/PEDAX, llegando en la actualidad a ser uno de los proveedores ms completos este tipo de mquinas para manejo de aceros, llevando su auge hasta la automatizacin de los procesos[footnoteRef:1]. [1: Cutmaster, STEMA/PEDAX.]

La empresa italiana creada en 1938, OSCAM fue una de las primeras firmas en incursionar en el desarrollo de las primeras mquinas 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 automticas. Hoy en da es lder en la construccin variedad de mquinas e instalaciones para doblar[footnoteRef:2]. [2: OSCAM, Historia. http://www.oscam.it/EN/HOME/default.aspx?f=1&lng=EN&cm1=5]

En al ao 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 lminas, 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 metalmecnica de un sector de Bogot[footnoteRef:3]. En este contexto similar evoluciona la industria de doblado en el pas, pasando de mquinas manuales a sistemas hidrulicos y automatizados. [3: DOBLADORA CARVAJA LTDA, Historia. http://www.dobladoracarvajal.com/HISTORIA.php]

En nuestra regin y ms especficamente en Montera existen maquinas dobladoras de lminas que funcionan para satisfacer las necesidades del mercado; en nuestra investigacin encontramos empresas que utilizan en su proceso de produccin mquinas de este tipo, ejemplo de estas empresas tenemos: Dobladora la 39, Laminas y Dobleces. Dobladora la 39 est ubicada en la ciudad de montera en la calle 39 con Cra 4ta, en esta empresa cuentan con 2 dobladoras de lminas ambas de tipo manual con dimensiones de 2.40m y 3m, tambin 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 est ubicada en la ciudad de Montera en la calle 39 con cra 5ta, en esta empresa el proceso de produccin es ms amplio e industrializado, poseen 4 mquinas manuales y 3 elctricas para doblar lminas. Estas mquinas tienen capacidad de doblar lminas calibre 33 hasta lminas de 1/8 de grosor; las elctricas tienen establecido un proceso de mantenimiento preventivo que se ejecuta semanalmente.Se han realizado investigaciones sobre los efectos posteriores que suceden el proceso de doblado en lminas, tal como es la tendencia a la recuperacin de la forma una vez retirada la solicitacin aplicada generndose varios modelos para el anlisis, tambin los efectos que producen las condiciones en las que se realiza el doblado.TEORIA RELACIONADAConformado de metales.Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de deformacin plstica, es necesario superar el lmite de fluencia para obtener una deformacin permanente. Dado esto el material se somete a esfuerzos que superan el lmite elstico, al llegar a estos lmites se consume la ductilidad del material. Esta transicin se aprecia en la Fig. 1

Fig. 1. Curva esfuerzo- deformacinEn el conformado de metales es de vital importancia reconocer ciertas propiedades, tales como un bajo lmite de fluencia y un alto grado de ductilidad. Estas propiedades son dependientes de la temperatura, es decir, a medida que esta aumenta el lmite 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 conformacin) crean esfuerzos sobre la pieza de trabajo, obligndola a adoptar la geometra del dado. El proceso de conformado de piezas metlicas puede distinguirse tal y como aparece en la figura 2.

Fig. 2. Diagrama conformado de piezas metlicasTrabajo en frioEl trabajo en frio se refiere al trabajo realizado a temperaturas por debajo de la temperatura de recristalizacin del material. Este trabajo ocurre cuando se produce un esfuerzo mayor que la resistencia a la cedencia del material, generndose as una deformacin.El trabajo en frio es ventajoso porque existe mayor precisin, menor tolerancia, mejor acabado superficie, posibilidad de obtener propiedades de direccin 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 deformacin, produciendo como resultado un incremento del esfuerzo necesario para mantener la deformacin y cancelar el incremento de la resistencia.Por tanto la reduccin de ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensin limitan considerablemente la cantidad de operaciones de formado que pueden realizarse sobre una pieza. (Kalpakjian, 2002)Trabajo en calienteSe presenta trabajo en caliente cuando la deformacin plstica del material se realiza a una temperatura mayor que la de cristalizacin. La ventaja principal de este mtodo se manifiesta en la obtencin de una deformacin plstica 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 frgiles en frio, no ocurre un endurecimiento de las partes y adems las propiedades de fuerza generalmente se obtienen isotrpicamente. (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 anisotrpico y adems es difcil controlar la exactitud dimensional debido a la combinacin de deformacin elstica y contraccin trmica del material, por lo tanto en el diseo de piezas es necesario una sobre medida o dimensin mayor al iniciar la operacin. En la practica el trabajo en caliente se realiza a partir de temperaturas un poco mayores a la mitad de la temperatura de fusin (Th=0,5*Tm). (Kalpakjian, 2002)Operaciones de formado de lminas de metalEn este campo es importante tener en cuenta el espesor del material de trabajo. En la industria se diferencia dos tipos de lminas, un tipo de lminas llamadas hojas cuyos espesores alcanzan un valor mximo 6 mm (1/4) y las llamadas platinas para espesores mayores a 6 mm (1/4). Las lminas 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 lmina.Los procesos de conformado de lminas son operaciones de trabajo en frio realizadas sobre lminas, tiras o rollos metlicos con sistemas de punzones y dados, estas operaciones son de corte, doblado y embutido.Doblado de lminasEn el trabajo realizado sobre lminas metlicas, el doblado se define como la deformacin controlada del metal alrededor de un eje recto a un determinado ngulo (fig. 3 (a)). Durante la operacin 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 deformacin fig.3 (b)).

Fig. 3. Condiciones de deformacin.[footnoteRef:4] [4: , 5 (Kalpakjian, 2002)]

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

Fig. 4. Defectos en el doblado de lminas.[footnoteRef:5] [5: , 6 (Kalpakjian, 2002)]

Las operaciones de doblado se realizan usando como herramientas de trabajo diversos tipos de dados y punzones. Los mtodos de doblado ms 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 doblado[footnoteRef:6] [6: ]

En el doblado en v, la lmina de metal se encuentra entre el punzn y el dado en forma de v, el valor del ngulo va desde muy obtuso hasta muy agudo. El doblado en v se usa generalmente para procesos de produccin 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 lmina de metal. Se usa una placa de presin que aplica una fuerza de sujecin para mantener la placa sujeta al dado, mientras el punzn obliga la parte en voladizo para doblarla sobre el borde del dado.

Tipos de dobladora de lminasExisten diversos diseos y tipos de dobladoras pero la clasificacin que mejor las diferencia es la que se realiza respecto al mtodo de aplicacin de la fuerza de doblado. Dicho accionamiento se realiza generalmente a travs de tres formas diferentes, accionamiento manual, accionamiento neumtico y accionamiento hidrulico.El accionamiento manual es el ms econmico pero el de aplicaciones de menor requerimientos, este consta de palancas que son accionadas por el operario, se utiliza en lminas de poco espesor y de metales blandos. El accionamiento neumtico genera ms fuerza que el manual y generalmente esta automatizado, su campo de aplicacin y costo son mayores. Y por ltimo el accionamiento neumtico es el de mayor capacidad, este genera fuerzas muy grandes utilizadas para doblar casi cualquier lmina, este presenta un elevado costo.Anlisis de ingeniera del dobladoAl momento de realizar el doblado de una lmina, la lmina sufre flexin, por tal motivo una parte de la lmina quedara a compresin y otra quedara a tensin, esto es muy importante a la hora de definir un doblado, puesto que se sabr la resistencias o esfuerzos sometidos en la pieza, se realiza esta para unos buenos clculos de diseo.En la figura 6 se observa la terminologa usada en el doblado, luego cada uno de estos trminos ser definido y se le dar su aplicacin.

Fig. 6. Terminologa de dobladoLa extensin 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 lmina que se va a doblar por tanto es la zona que sufrir la deformacin. Cabe destacar que la tolerancia de doblado depende del ngulo al que se doblara la lmina y del radio de doblado; por este motivo es fcil definir una ecuacin para la tolerancia de doblado la cual est dada por: Donde , Tolerancia de doblado., ngulo de doblado (radianes). , Radio de doblado., Constante ., Espesor de lmina.Radio mnimo de doblado.El radio mnimo de doblado Rm, es uno de los factores ms importantes al momento del doblado; este radio mnimo se establece cuando aparece la primera grieta sobre la pieza. Para muchos materiales este radio ya est agrupado en la tabla 1. (Kalpakjian, 2002)

Tabla 1. Radio mnimo de doblado para algunos materiales[footnoteRef:7] [7: ,7 (Kalpakjian, 2002) ]

Donde T, es el espesor de la lmina. Si el radio de doblado mnimo es cero esto quiere decir que la lmina puede plegarse sobre s misma. Se tiene entonces una relacin entre el espesor de la lmina y el radio de doblado, esta relacin nos proporciona informacin sobre el porcentaje de reduccin de rea. La relacin esta se puede observar en la fig. 7.

Fig. 7. Curva reduccin de rea en tensin vs R/T[footnoteRef:8] [8: ]

De la figura 7 se observa que un metal laminado con 50% en reduccin de rea de tensin se puede doblar sobre s mismo, parecido a doblar una hoja de papel. (Kalpakjian, 2002) Por tanto entre ms pequea sea la relacin entre el radio de doblado y el espesor, la reduccin de rea en tensin ser menor, esto es muy importante puesto que si la deformacin por tensin producida por la carga en flexin en el material aumenta, la lmina llegar a agrietarse e incluso a romperse, por tal motivo el radio mnimo de doblado depende del espesor de la lmina y de la reduccin de tensin del rea, dando como resultado la siguiente frmula para el radio mnimo de doblado: En donde r es la reduccin de tensin de rea de la hoja metlica.De la ec. 2 podemos notar que para un con valor de 50, el radio mnimo de doblado en la lmina es cero y como ya se mencion, esta se doblara sobre si misma Al momento de realizar el proceso de doblado es de suma importancia tener en cuenta el acabado superficial de la lmina, esta variable puede ser la causa de concentracin de esfuerzo, por tanto la capacidad de doblado se ve afectada. (Kalpakjian, 2002)Recuperacin elstica Cuando la presin sobre la pieza es retirada al terminar la operacin, la energa elstica permanece en la parte doblada haciendo que esta recobre parcialmente su forma original. Esta recuperacin elstica se define como el incremento del ngulo comprendido por la parte doblada, en relacin con el ngulo comprendido por la herramienta de doblado, una vez retirada la misma, este fenmeno se llama recuperacin elstica.Se puede calcular la recuperacin de forma aproximada en funcin de los radios , mediante la ecuacin 3.

Fig. 8. Recuperacin en una lmina doblada[footnoteRef:11] [11: , 11 (Kalpakjian, 2002) ]

Se puede lograr una correccin para restitucin elstica por varios mtodos. Dos de los mtodos ms comunes son el sobre doblado en el cual el ngulo del punzn y su radio se fabrican ligeramente menores que el ngulo especificado en la parte final, de manera que la lmina regresa al valor deseado, y el fondeado involucra comprimir la parte al final de la carrera, deformndola plsticamente en la regin de doblado. (Kalpakjian, 2002)Fuerza de dobladoLa fuerza que se requiere para efectuar el doblado depende de varios factores como son la geometra del punzn y el dado, as como la resistencia, ancho y espesor de la lmina de metal que se dobla.La fuerza mxima necesaria para efectuar el doblado de una lmina de metal est dada por la aproximacin a una viga simple sometida a flexin. Donde F, fuerza de dobladoTs, resistencia a la tensin del metal.w, ancho de la parte paralela al eje de doblado.t, espesor del material.D, dimensin 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 caractersticas de las piezas de doblado.

Fig. 9. Piezas de doblado.[footnoteRef:13] [13: (Kalpakjian, 2002)]

Parmetros de diseo de la maquina dobladora de lminas. Con el objetivo de dar fortaleza al proceso de diseo se da paso a los requerimientos y especificaciones de la maquina mediante el anlisis de modo y efectos de fallas.Las expresiones que limitan el proceso estn determinadas por las condiciones de resistencia, valores deseados o esperados, factores de diseo y otras caractersticas de la ingeniera mecnica. Anlisis de resistencia de materialesEl anlisis de falla se realiza mediante la determinacin de cotas lmite, 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.

Fig. 10. Elementos sometidos a carga axial.[footnoteRef:14] [14: , 14 (Ferdinand Beer, 2007)]

La ecuacin 5, que rige el comportamiento del elemento est dado por: Donde , representa la reaccin del material. F, representa la fuerza axial y A, el rea de la seccin 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 flexin pura.[footnoteRef:16] [16: (Ferdinand Beer, 2007)]

La ecuacin 6, que rige el comportamiento del elemento est dado por: Donde , representa la reaccin del material. M momento flector mximo y c representa la distancia desde el eje neutro a la fibra ms alejada. Dada estas condiciones de evaluacin, las restricciones para el problema de diseo de la mquina de doblado son las siguientes: Potencia consumida en el proceso de doblado. Vida til proyectada para la mquina. Factor de diseo para la falla por fatiga de ejes y palancas. Factor de diseo para la falla por fatiga superficial del punzn de doblado. (Ferdinand Beer, 2007)

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ANEXOS Visita de campo a dobladora la 39